Электролизный котел отопления принцип работы: Ионный котел отопления: устройство, изготовление, производители

Электродные котлы отопления – устройство, принцип работы, рекомендации

С проблемой индивидуального обогрева жилища сталкивается большинство частных владельцев домов. Одним из вариантов решения вопроса являются энергосберегающие электродные котлы отопления, считающиеся высокоэффективными, надежными и безопасными в работе. Они дают возможность задавать нужную температуру нагрева радиаторов и окружающего воздуха, а также круглосуточно поддерживать микроклимат в помещении по заданным параметрам.

Немного истории

Электродные отопительные котлы было предложено использовать в бытовых условиях еще в 80-е годы прошлого столетия. Идея принадлежала Дмитрию Кункову, а изобретение получило патент. До этого момента подобное оборудование использовалось в военной промышленности и устанавливалось на подводных лодках и кораблях ВМФ. Российская компания ГАЛАН смогла усовершенствовать изобретение, разработав уникальный и принципиально новый водонагревательный котел электродного типа, который был представлен на рынке в 1992 году.

Уже через два года появилась серийная модель, эксплуатация которой в системе отопления подтвердила факт значительного снижения расхода энергии, используемой для обогрева помещений по сравнению с выпускаемыми ранее теплогенераторами. Сегодня отопительные приборы «Галан» широко используются в отдаленных от коммуникаций поселках и труднодоступных местах, на складах и железнодорожных полустанках, в районах стихийных бедствий и городских коттеджах.

Устройство электродных котлов

Электрические мини котлы «Галан» электродного типа выпускаются в трех модификациях:

• однофазные ОЧАГ имеют мощность 2, 3, 5 и 6кВт;
• трехфазные ГЕЙЗЕР и ВУЛКАН – 9, 15, 25 и 50кВт.

Они имеют компактные размеры и малый вес. Самый мощный прибор весит 11,5кг, а его диаметр составляет 180мм при длине 570мм, а обогреть пространство он может до 1650м3. Наиболее миниатюрный котел имеет диаметр всего 35мм и длину 275мм, его вес не превышает 0,9кг, а отапливаемое помещение может достигать 120м3.

Ионные котлы состоят из нескольких элементов. На металлическом корпусе располагаются входящие и отводящие патрубки, дающие возможность беспрепятственной циркуляции теплоносителя (воды или антифриза). Благодаря корпусу происходят ионные процессы, так как он выполняет функцию ионизатора. Сверху корпус защищен пластиковым кожухом, улучшающим электроизоляцию прибора и уменьшающим его теплоотдачу. Внутри однофазного котла располагается один электрод, а трехфазного – три электрода с выведенной наружу клеммной группой.

Электродные котлы «Галан» поставляются в сборе. Система автоматики, позволяющая управлять и контролировать отопительную систему, в комплект оборудования не входит, поэтому приобретается дополнительно. Кроме этого требуется купить расширительный бак и, при необходимости, насос.

Без установки автоматики компания ГАЛАН гарантийный срок на работу котла не дает.

Также производитель снимает с себя ответственность в случае неправильной установки, либо эксплуатации электродного теплогенератора, наличия механических повреждений и присутствия посторонних предметов в системе.

Преимущества электродного отопительного оборудования

Отопительные котлы «Галан» обладают несомненными достоинствами по сравнению с другими видами котельного оборудования:

• высокий КПД (до 98%) получается благодаря прямому преобразованию электроэнергии в тепло непосредственно в теплоносителе;
• экономия электричества до 40% происходит за счет использования автоматики и регулировки тепловых режимов;
• простой монтаж обеспечивают малые размеры приборов и удобное подсоединение патрубков;
• возможность встраивания в существующие отопительные системы устраняет необходимость перекладки труб;
• допустимость параллельного подключения котлов позволяет многократно увеличить мощность обогревательной системы;
• реальность установки резервного котла исключает внезапность остановки подогрева теплоносителя.

Принцип работы

Электродные, или ионные, котлы не нуждаются в специальных разрешениях на монтаж оборудования, чего не скажешь, к примеру, о газовых отопительных агрегатах.

При включении прибора «Галан» в электросеть происходит нагрев теплоносителя путем расщепления молекул жидкости на ионы с разной полярностью. Каждый из них стремится к положительно или отрицательно заряженной электродной пластине.

В процессе работы происходит постоянное изменение направления тока, поэтому пластины ионами не «обрастают».

разнообразные виды и их функции

С ростом тарифов на жилищно-коммунальные услуги возникает необходимость в максимально возможной оптимизации системы отопления жилища. Так как рост цен характерен для разных энергоресурсов, а экономическая ситуация трудно предсказуемая, многие люди предпочитают устанавливать гибридные системы или даже использовать несколько типов отопления.

Возможность использования нескольких видов устройств для отопления жилья имеет ряд преимуществ, перечислим некоторые из них:

• во-первых, всегда можно выбрать, какой вид  для отопления подходит в данный момент времени;
• во-вторых, есть возможность регулировать выбор в зависимости от времени года;
• в-третьих, можно использовать маломощные источники тепла с низким энергопотреблением в межсезонье, за счет чего сократить расход газа или электричества в системах с большой мощностью.

Из перечисленных преимуществ можно сделать вывод, что идеальный вариант всегда индивидуален — зависит от бюджета, типа жилья, возможностей по организации системы отопления. Все больше потребителей склоняется к гибридным системам, то есть подразумевающим использование различных энергоресурсов.

Виды котлов отопления

Прежде чем начать работы по оптимизации системы отопления, нужно ознакомиться с понятием «пассивный дом» и по возможности реализовать его элементы в своей квартире или доме. Речь идет, конечно, об утеплении стен, потолка и пола, об установке энергосберегающих окон, а только после этого – об оптимизации системы отопления. Идеальный вариант пассивного дома предполагает использование естественной тепловой энергии для поддержания идеальной температуры воздуха. Например, чтобы в квартире было тепло, нужно использовать более темные обои, а стены утеплить двойным покрытием гипсокартона. Для зимнего времени лучше выбрать массивные шторы из плотной теплой ткани. Эти нехитрые методы помогут сократить энергопотребление.

Учитывая все перечисленные параметры, можно приступить к подбору варианта для отопления жилья. Для этих целей рассмотрим виды котлов отопления, которые широко представлены на рынке. Классическим случаем котла является одноконтурная модель, в которой происходит нагрев только теплоносителя. Для одновременного нагрева воды для водоснабжения потребуется наличие еще одного контура, такие модели известны как двухконтурные. Вместе с тем существует целый ряд предложений от производителей по упомянутым моделям, а также представлены котлы для отопления на других источниках тепла. Каждый из этих вариантов стоит рассмотреть подробнее.

Газовые напольные котлы

Котлы газовые напольные для отопления дома хорошо знакомы потребителям. В основном покупатели выбирают одноконтурные модели за счет более низкой цены. При этом двухконтурные модели, также реализованные в напольном варианте, могут быть более экономными и обеспечивать высокий КПД при низких расходах газа. В настоящий момент имеет смысл покупать напольные котлы для отопления только больших домов. Если площадь дома не превышает размеры квартиры, с задачами отопления такого помещения справиться обычный настенный котел.

Наиболее надежными и популярными напольными моделями считаются котлы Biasi, Ferroli, Pro Tech, Buderus, Данко, Baxi. При выборе следует учитывать их мощность и рекомендуемую для обогрева площадь. Необходимо обращать внимание на затраты по газу и выходному КПД, всегда лучше выбрать более экономную модель. Упомянутые котлы отопительные газовые напольные цены имеют довольно разные, много зависит от бренда.

Лучше выбирать котел при сжатом бюджете с мастером, который устанавливает систему.

Он даст необходимые рекомендации. Оптимальным выбором для дома большой площади будут, конечно, экономные двухконтурные напольные газовые котлы с теплоаккумулятором. Они решают сразу целый ряд задач и отвечают большинству требований, которые предъявляются к современным системам индивидуального отопления.

Отопительные котлы газовые настенные

Настенные отопительные котлы газовые различаются по количеству контуров, а также по КПД и мощности. По факту они отличаются от напольных вариантов только способом монтажа, дублируя остальные возможности. При этом может различаться и конструкция котла. В зависимости от нее будут разными и технические параметры.

Котлы могут быть проточными и опционально иметь накопительный бак, системы с накопительным баком крайне редко появляются на рынке. Они невыгодны прежде всего своими большими размерами и чаще применяются в напольных версиях, но, тем не менее, больше подходят для больших домов, прежде всего тем, что не требуется установка дополнительных конструкций для баков, а кроме того повышается КПД. Также такие котлы имеют встроенный насос, который позитивно влияет на общую эффективность котла.

Рекомендуемый экспертами настенный отопительный котел газовый — это, прежде всего, модель с эффективным пластинчатым теплообменником. По опыту мастеров, это самые компактные, относительно недорогие и оптимальные в домашнем использовании модели. Рекомендуем купить двухконтурный газовый котел с высоким КПД и низким потреблением, рассчитанный на необходимую площадь. При этом гарантировано будут довольно низкие затраты на газ при комфортной температуре в доме в любые морозы.

Электрокотлы с насосом и расширительным баком

При выборе системы нельзя упускать из виду многочисленные электрокотлы с насосом и расширительным баком. Принцип работы похож на газовые версии за исключением источника энергии. Для нагрева в таких котлах используется ТЕН, в продаже имеются одноконтурные и двухконтурные версии, то есть рассчитанные одновременно на отопление и горячее водоснабжение.

Теновые котлы отопления нельзя отнести к наиболее экономичным по затратам, они не всегда могут обеспечить достаточный обогрев помещения в сильные морозы. В этом случае нужно использовать другие типы обогрева, например, технологию теплых полов. Эти котлы наиболее эффективны в условиях, когда отсутствует газ, не требуется постоянное использование системы, а также дом территориально находится в теплом регионе.

Дополнительно нужно отметить, что котлы отопления электрические однофазные не только самые удобные в подключении, но и самые выгодные в первичной инсталляции системы отопления.

Если что-то нужно установить в кратчайшие сроки перед зимой при ограниченном бюджете, можно смело выбирать электрокотел, а уже впоследствии оптимизировать систему отопления.

К таким оптимальным вариантам, например, относится российский электрокотел Зота. Его основное преимущество — это компактные размеры. Кроме всего, за счет использования для изготовления ТЕНов трубки из нержавеющей стали с диаметром 7,4 мм, удается добиться меньшей ваттной нагрузки. Также имеется погодозависимое регулирование параметров и встроенный хронотремостат для двухтарифного счетчика. Электрокотлы Зота предлагаются в различных вариантах и из расчета использования разных видов топлива.

Потребителей наверняка привлечет электрокотел Невский цена которого очень конкурентоспособна. Специалисты рекомендуют эти отопительные системы за счет их компактности и многоступенчатой защиты нагревательных элементов. Под ТМ «Невский» предложены модели для частных домов небольшой площади, для домов, офисов и детских садов с площадью от 150-200 кв. м, а также модели для складских помещений и производств. Нужно отметить отличный уровень потребительского менеджмента этой фирмы, позволяющий покупателям быстро выбрать нужную модель.

Котлы отопления электролизные

Альтернативным способом являются котлы отопления электролизные. Их мощность составляет 1 кВт на 20 кв. м, что достаточно неэкономично по сравнению со всеми остальными технологиями, представленными на рынке. Снижение стоимости владения характерно только для дорогих высокотехнологичных моделей, например, для модельного ряда Галан.

К особенностям таких котлов относится появление накипи на пластинах, что значительно снижает КПД и требует регулярного и достаточно трудоемкого технического обслуживания. Подойдет электролизер для отопления дома на даче, он хорошо справляется с эпизодическим использованием и отоплением малой площади при низких инсталляционных затратах.

Твердотопливные котлы отопления

Котел отопления на твердом топливе используется в котельных, производственных помещениях и индивидуальных домах. Особенно это характерно для тех случаев, когда нет магистрального газа и света, а дом снабжается за счет солнечных батарей.

Интересны предложения чешских производителей, которые выпускают различные по функциональности котлы, работающие на твердом топливе. Например, семейная фирма ATMOS предлагает потребителям высокотехнологичные модели, основанные на собственных разработках, защищенных патентами. Кроме высокого КПД эти модели имеют такое функциональное преимущество, как отдельные емкости для сжигания дров и угля. Для домашнего применения и отопления небольших помещений может подойти высокоэффективный, компактный и комфортный в использовании чугунный котел VIADRUS.

Следует обратить внимание на недорогой автоматический угольный котел фирмы Зота, он интересен низкими затратами на отопление и отсутствием необходимости постоянно отслеживать горение. Среди твердотопливных котлов стоит выделять пиролизные модели, особенность которых состоит в сжигании выделяемых при сгорании газов, за счет этого достигается более высокий КПД — температура горения в камере достигает в отдельных моделях 1200 С. Многие мастера рекомендуют котлы ATMOS или модели других чешских производителей.

Многотопливные котлы отопления

Многотопливный котел отопления применяется с целью использования различных видов энергосырья, что в целом вытекает из названия. Обычно новые виды газовых котлов появляются в результате изменения требований потребителей и появления новых технологий. Это касается и многотопливных моделей. Речь может идти, как о использовании различных энергоресурсов — например, твердого топлива и масла. Рекомендуется котёл на отработанном масле цена которого довольно низка, а способ использования и быстрота монтажа хорошо подходят для подсобных помещений, гаражей, киосков и прочих рабочих или жилых помещениях.

Твердотопливные котлы рекомендуются для домов в сельских районах, где затруднены поставки газа и довольно слабые электролинии, а также доступны дрова и уголь по достаточно низким ценам. При выборе модели нужно обращать внимание на метраж помещения, на который она рассчитана, КПД, ее функциональные характеристики, чтобы обеспечить комфортность использования. Некоторые компании как VIADRUS делают модели для дров и угля, которые с помощью дополнительного модуля можно перенастроить на газ без больших затрат.

Универсальным вариантом для домашних хозяйств является котел работающий на газе и дизельном топливе. Котлы для данных видов топлива различаются только по типу горелки и могут быть совмещены. Самыми практичными являются котлы для газа, дизеля и твердого топлива, однако, этот вариант подразумевает в качестве основного энергоресурса — дрова или уголь, а уже в качестве дополнительного — газ и дизель. В результате модель имеет минимум автоматики и может быть небезопасной. Более детально о комбинированных котлах можно прочитать в нашей статье «Универсальные отопительные котлы для частного дома: типы и характеристики».

Оптимальным вариантом многотопливных котлов считается те модели, в которых сочетается три и более видов топлива: электричество, дизель и газ. Этот вариант пригоден для отопления загородных коттеджей любой площади, причем с сохранением КПД при переходе на другой энергоресурс.

Автоматика и способы оптимизации расходов на отопление

Точное сравнение газовых котлов отопления с другими моделями и технологиями не совсем возможно за счет принципиально разных условий использования. Все зависит от доступности энергоресурсов, а также технологических решений и стоимости первичной инсталляции. Учитывая все эти параметры, можно выбрать индивидуальный вариант, который будет наилучшим выбором в определенном случае.

При этом есть общие принципы, которые улучшают качество и уровень комфорта при использовании котлов. Речь идет о современной автоматике, позволяющей сделать работу нагревательных устройств относительно автономной.

Для газовых моделей автоматическое управление позволяет уменьшить расход газа, для твердотопливных — регулировать параметры горения и подачу топлива без обслуживающего персонала. Автоматика для электрокотлов отопления дает возможность настраивать погодозависимые характеристики, а также контролировать комфортную температуру воздуха в доме.

Обзор промышленных электрокотлов большой мощности

Паровые и водогрейные промышленные электрокотлы большой мощности, предназначены для обогрева и горячего водоснабжения производственных и сельскохозяйственных объектов. Котельное оборудование, также используется для обогрева коттеджных и загородных поселков.

Виды промышленных электрокотлов

По техническим характеристикам, промышленные электрокотлы, классифицируют на несколько групп. Отличия связаны с принципом нагрева, функциональными возможностями и внутренним устройством. Основная классификация, связана с продуктом, получаемым в результате работы:

• Электрический паровой котел – производной является перегретая вода. В зависимости от конструкции и внутреннего устройства, потребитель получает влажный или сухой пар.
• Водогрейный котел – работает как обычное котельное оборудования, подогревая воду до температуры не выше точки закипания. Котел устанавливают там, где нет необходимости в получении пара, для подключения к традиционным системам водяного отопления и ГВС.

У каждого типа котельного оборудования, есть свои сильные и слабые стороны, которые имеют значение при подборе подходящего прибора.

Электрические паровые котлы

Электрические паровые котлы для промышленных объектов, используют принцип повторного перегрева теплоносителя. Фактически, это означает, что теплоноситель нагревается дважды, прежде чем поступит в систему отопления.

Используется следующий принцип теплообмена в паровых котлах:

• Вода перегревается выше температуры кипения, до 130°С, что приводит к усиленному парообразованию.
• Пар направляется в специальный коллектор, где частички жидкости собираются и отсеиваются.
• Сухой пар, направляется на повторный нагрев.

Двойной нагрев пара, приводит к увеличению давления в теплообменнике. На выходе, параметры составляют от 0,01 Мпа до 0,55 Мпа. По предварительному заказу, возможно увеличение параметров до 0,8 Мпа. По этой особенности, паровые электрокотлы, также называются теплогенераторами высокого давления. Их эксплуатация оправдана в случае необходимости получения сухого и влажного пара, для предприятий средней площади.

Промышленные водогрейные электрокотлы

Применение водогрейных электрокотлов для отопления производственных помещений, целесообразно для тех предприятий, где отсутствует потребность в паре. Нагрев теплоносителя, осуществляется до 95-98°С. Вода, нагреваясь, создает небольшое давление в системе отопления. По этой причине, водогрейное котельное оборудование, называют котлами низкого давления.

Для промышленных целей, используют три типа электрокотлов:

1. Индукционные.
2. ТЭНовые.
3. Электродные.

В первых двух случаях, используется принцип косвенного нагрева теплоносителя. В индукционных электрокотлах, нагрев осуществляется благодаря использованию электромагнитной катушки, в ТЭНовом аналоге, подогрев выполняется поверхностью трубчатого нагревателя.

Электродные котлы промышленного типа, встречаются реже, но расходуют электричества меньше, приблизительно на 40%. Парогенератор с электродами, выпускает компания КЭП.

Для увеличения энергоэффективности промышленных электрических водогрейных котлов большой мощности, требуется установка дополнительного оборудования: циркуляционных насосов, бойлера косвенного нагрева и т.п.

Как выбрать электрокотел для производства

Выбор котла для электро-отопления, основывают на нескольких важных параметрах:

• Принцип нагрева – индукционные приборы, стоят дороже, приблизительно на 10-15%, чем ТЭНовые аналоги. Но, недостаток последних, быстрый выход из строя трубчатого нагревателя.
  В условиях постоянной эксплуатации, даже при установке системы фильтрации и водоподготовки, срок службы ТЭНа не превышает 5-7 лет. Индукционный нагреватель, проработает в 3-4 раза дольше. Дешевле всего стоят, электродные котлы.
• Количество контуров – электрические котельные, работают для ГВС и отопления помещений промышленных предприятий. Возможность приготовления бытовой горячей воды, есть у двухконтурных нагревателей.
  Одноконтурные модели, подключаются к ГВС через бойлер косвенного нагрева. Для промышленного применения, устанавливают накопительные емкости с вместимостью в несколько тысяч литров.
• Экономичность – промышленные электрокотлы для отопления промышленных зданий, индукционного типа и оснащенные ТЭНовыми нагревателями, по расходу электричества, практически не отличаются. ТЭНовые модели, требуют больше вложений во время эксплуатации.
• Сборка – производство котлов выполняет несколько отечественных и зарубежных компаний. Не все теплогенераторы, имеют одинаковое качество сборки и надежность. Предпочтение стоит отдать проверенным временем маркам.

Преимущество ТЭНовых и индукционных котлов, возможность подключения к энергосберегающим промышленным отопительным системам. Во время сезонной остановки производства, устанавливается режим антизамерзания, при котором, котел, автоматически поддерживает нагрев теплоносителя в пределах 10-15°С.

Расчет и подбор котла

Расчет электрокотла для промышленного здания, выполняет исключительно грамотный инженер теплотехник. При вычислениях учитывают следующие параметры:

• Теплопотери – обязательно осуществляется аудит здания на предмет возможных теплопотерь. После исследования, расписываются мероприятия по уменьшению потерь тепла. По результатам, высчитывается необходимая тепловая мощность отопителя.
• Затраты электроэнергии – каждому промышленному производству, выделяют лимит электроэнергии. После проведения расчетов производительности котла, рассчитывают, какая модель подходит для отопления, без превышения установленного предела. Учитывают необходимость дополнительного оборудования в электроэнергии. Может потребоваться увеличить лимит, установленный компанией энергосбыта.

Котлы с двумя контурами, в промышленных целях применяются крайне редко. Для горячего водоснабжения, устанавливают отдельный бойлер или проточный водонагреватель. При необходимости, используют накопительную емкость косвенного нагрева, подключая ее непосредственно к системе отопления.

Производители промышленных котлов

Желая сэкономить на покупке электрокотла для обогрева промышленного предприятия, некоторые заказчики, допускают ошибку, приобретая котельное оборудование низкого качества.

Технология изготовления промышленных электрокотлов, достаточно сложная. Соблюдение поэтапной сборки, возможно только в заводских условиях. «Самопальные» устройства, в лучшем случае, проработают несколько лет, после чего выйдут из строя, в худшем, приведут к возникновению пожара.

Приобретать стоит исключительно заводскую продукцию надлежащего качества. Судя по опыту эксплуатации, высокое качество сборки и надежность, отличает электрические котлы следующих марок:

• Attsu – итальянский производитель, специализируется на изготовлении промышленных парогенераторов. Максимальная производительность, 3 мВт. Котлы Attsu, оснащаются микропроцессорным контроллером. Допускается возможность каскадного подключения нескольких приборов, с целью увеличения мощности.
• STEAM ELMO – парогенераторы, с высокой производительностью пара. Можно выбрать модель, способную вырабатывать до 5000 кг пара/час. Котлы STEAM ELMO, устанавливаются в блочно-модульные котельные. Максимальное увеличение продуцирования пара, до 20000 кг/час.
• КЭП – парогенераторы, с максимальной производительностью 250 кВт. Котлы электродного типа, с максимальной температурой нагрева, до 160°С. КЭП – это отечественные электрокотлы, отличающиеся высокой экономичностью.
• ЭВАН Профессионал ЭПО – в модельный ряд, входят котлы, типоразмеров от 36 до 240 кВт. ТЭНовый водонагревательный котел, проточного типа. Преимущество котельного оборудования ЭВАН Профессионал ЭПО – микропроцессорное управление, автоматическая защита, предотвращающая выход из строя автоматики, при перепадах напряжения и во время короткого замыкания.
• ZOTA Prom – еще один отечественный ТЭНовый электрокотел, работающий на нагрев теплоносителя, без возможности производства пара. Максимальная производительность модельного ряда, 400 кВт. Производит 9 м³ горячей воды в час. В ZOTA Prom, установлены трубчатые нагреватели из нержавеющей стали, диаметром 13 мм.
• ACV E-tech P – немецкий котел, бельгийской сборки. Электрокотёл, использует проточный метод нагрева. Максимальная производительность, 260 кВт. В серии представлены одноконтурные и двухконтурные котлы. Внутри электрокотла ACV E-tech P, вмонтирована накопительная емкость с максимальной вместимостью почти 400 л. Удобный электрокотел для отопления дома большой площадью и приготовления горячей воды.
• Savitr PROF и MAX – отопительные котлы с одним и двумя контурами, предназначенные для комфортного обогрева помещений, с максимальной площадью до 2400 м². Котлы Savitr PROF и MAX, это оптимальное решение для обогрева автомастерских и небольших производственных цехов. Продукцию выпускает российский концерн с одноименным называнием.
• Интоис Оптима – ТЭНовый электрокотел, предназначенный для подключения к системам отопления в жилом и промышленном секторе. При производстве российских котлов, применяются инновационные технологии, обеспечивающие высокую безопасность эксплуатации и длительный срок службы. Интоис Оптима – это электрически котел нового поколения.
• НЕВСКИЙ класса «Промышленный» – еще одна ТЭНовая модель электрокотла, изготовленная российским заводом. Максимальная отапливаемая площадь 5000 м². Электрокотел НЕВСКИЙ класса «Промышленный», подключается к микропроцессорному контроллеру, управляется дистанционно и имеет многоуровневую систему защиты.

Водогрейный котел и парогенератор подбираются в каждом конкретном случае, отдельно. В зависимости от условий эксплуатации, выбирают электродный или ТЭНовый электрокотел. Отечественные котлы, не уступают относительно качества и надежности, даже именитым европейским моделям.

Требования к промышленной котельной с электрокотлом

Правила безопасной эксплуатации электрических паровых котельных, подробно описаны в документе от 28.05.1993 г, утвержденном Ростехнадзором РФ. В нормах, в частности, оговаривается расположение котельного оборудования, мероприятия по предотвращению возникновения аварийных ситуаций и поражению обслуживающего персонала электрическим током.

В нормах описывается необходимость следующего:

• Электрокотельное оборудование, должно иметь высокую степень автоматизации. Предусматривается автоматическое управление, для самостоятельного отключения и включения агрегата, в случае аварийной ситуации.
• Установка промышленных электрических котлов отопления, разрешается в любом техническом помещении промышленного предприятия, со средней степенью влажности. Электрокотел подбирается с соответствующей степенью защиты от влаги.
• Установка и подключение электрического теплогенератора, выполняется специалистом с необходимым уровнем доступа. Все монтажные работы, осуществляются с соблюдением правил ПУЭ 7.

Любые нарушения условий подключения и монтажа, приводят к праву энергораспределяющей компании, отказать в поставке электричества предприятию.

Электробезопасность котельной

Электрические котлы для обогрева производственных помещений, обязательно заземляются. Проводится регулярное обслуживание систем отопления. При подключении к электросети, обязательно соблюдение следующих условий:

• Устанавливается автоматика и УЗО.
• Электрокотел подключается к отдельной трехфазовой линии напряжения.
• Для предотвращения выхода из строя автоматики промышленной котельной, устанавливают стабилизатор напряжения с необходимой синусоидой.
  Для обеспечения бесперебойной работы котла, рекомендуется использование генератора, работающего на дизельном топливе.
• Обслуживающий персонал, без необходимого допуска, к проведению работ по осмотру и ремонту котельного оборудования, не допускается.

Персоналу проводят регулярный инструктаж, относительно безопасного обслуживания и ремонта. В котельной устанавливают предупреждающие таблички и вывешивают инструкцию с поэтапным планом действий в случае аварийной ситуации.

Требования к воде для электрокотлов

Электрокотлы индукционного и ТЭНового типа, работают с любым видом теплоносителя. Некоторые модели, способны нагревать антифриз в любых пропорциях. На подпитку котла, устанавливают систему фильтрации и водоподготовки.

Электродные приборы обогрева, работают исключительно со специальным теплоносителем с большим содержанием соли. В процессе электролиза, сопутствующего нагреву теплоносителя, объем жидкости в водяном контуре уменьшается. Через время, потребуется дозаправить систему отопления новой порцией теплоносителя.

Промышленные котлы – относятся к отопительному оборудованию с высокой степенью опасности. Установка, подключение к электросети и последующее обслуживание, проводятся исключительно в согласии с правилами, указанными в ПУЭ и описанными в рекомендациях Ростехнадзора.

Электролиз воды и эксплуатация топливных элементов

Водород и кислород можно объединить в топливном элементе для производства электроэнергии. Топливный элемент использует химическую реакцию для обеспечения внешнего напряжения, как и батарея, но отличается от батареи тем, что топливо постоянно подается в виде водорода и газообразного кислорода. Он может производить электроэнергию с более высокой эффективностью, чем просто сжигание водорода для производства тепла для привода генератора, потому что он не подвержен тепловому узкому месту из второго закона термодинамики.Единственным продуктом является вода, поэтому она не загрязняет окружающую среду. Все эти особенности периодически вызывали большое волнение по поводу его потенциала, но мы все еще находимся в процессе разработки этого потенциала как экологически чистого и эффективного источника энергии (см. Kartha and Grimes).

Обратите внимание, что когда здесь используется дескриптор «эффективный источник энергии», он просто относится к относительной эффективности, с которой энергия применяется к задаче, а не к тому, что это конечный источник этой энергии. Топливный элемент не генерирует энергию, а просто преобразует энергию, содержащуюся в водородном и кислородном топливе, в полезную электрическую энергию.Общая практичность топливных элементов зависит от эффективности процесса производства водородного и кислородного топлива, которое питает эти элементы. Получение водородного и кислородного топлива из других, более первичных источников энергии оказалось ограничением в применении топливных элементов. Если бы солнечная или ветровая энергия могла бы эффективно использоваться для электролиза воды, практичность топливных элементов была бы повышена.

Объединение моля газообразного водорода и пол-моля газообразного кислорода из их обычных двухатомных форм дает моль воды.Подробный анализ процесса использует термодинамические потенциалы. Предполагается, что этот процесс осуществляется при 298 К и давлении в одну атмосферу, и соответствующие значения взяты из таблицы термодинамических свойств.

Энергия обеспечивается объединением атомов и уменьшением объема газов. Оба они включены в изменение энтальпии, указанное в таблице выше. При температуре 298К и давлении в одну атмосферу работа системы

Поскольку энтальпия H = U + PV, изменение внутренней энергии U составляет

Энтропия газов уменьшается на 48,7 кДж в процессе объединения, так как количество молекул воды меньше, чем количество соединяющихся молекул водорода и кислорода. Поскольку общая энтропия не будет уменьшаться в реакции, избыточная энтропия в количестве TΔS должна отводиться в окружающую среду в виде тепла при температуре T.Количество энергии на моль водорода, которое может быть предоставлено как электрическая энергия, представляет собой изменение свободной энергии Гиббса:

В этом идеальном случае энергия топлива преобразуется в электрическую с КПД 237,1 / 285,8 x100% = 83%! Это намного больше, чем идеальная эффективность генерирующей установки, которая сжигала водород и использовала тепло для питания генератора! Хотя настоящие топливные элементы не достигают этой идеальной эффективности, они все же намного эффективнее, чем любая электростанция, сжигающая топливо.

При сравнении процесса топливного элемента с его обратной реакцией, электролизом воды, полезно рассматривать изменение энтальпии как общее изменение энергии. Свободная энергия Гиббса — это то, что вам действительно нужно предоставить, если вы хотите вызвать реакцию, или количество, которое вы действительно можете получить, если реакция работает на вас. Таким образом, в паре электролиз / топливный элемент, где изменение энтальпии составляет 285,8 кДж, вы должны вложить 237 кДж энергии для электролиза, а тепло из окружающей среды будет способствовать TΔS = 48.7 кДж вам в помощь. Если пойти другим путем в топливном элементе, вы можете получить 237 кДж в качестве электроэнергии, но при этом придется сбросить TΔS = 48,7 кДж в окружающую среду.

ОСНОВЫ СГОРАНИЯ И ТЕПЛОВЫХ ПОТЕР

ПРОЦЕССЫ СГОРАНИЯ был, есть и будет в ближайшем будущем основным генератором энергии в нашей цивилизации, которая сжигает ископаемое топливо с постоянно увеличивающейся скоростью. Процессы должны управляться хорошо ради окружающей среды и устойчивости цивилизации.

Принципы сжигания являются общими для нагревателей, котлов и других форм промышленного сжигания, например в печах и печах. В этом смысле термин «бойлер» взаимозаменяем с «нагревателем» по всему тексту (если не указано иное).

Обычные виды топлива состоят в основном из двух элементов: углерода и водорода. Во время горения они соединяются с кислородом, выделяя тепло. Ценность топлива определяется содержанием углерода и водорода. Неископаемые виды топлива, такие как биомасса и спирт, также содержат кислород в своей молекулярной структуре.

В идеале сгорание разрушает молекулярную структуру топлива; углерод окисляется до диоксида углерода (CO ₂ ), а водород — до водяного пара (H ₂ O). Но незавершенный процесс создает нежелательные и опасные продукты. Для обеспечения полного сгорания даже современное оборудование с множеством функций должно работать с избытком воздуха. То есть через горелку проходит больше воздуха (содержащий около 21 процента кислорода по объему), чем требуется с химической точки зрения для полного сгорания.Этот избыток воздуха ускоряет смешивание топлива и воздуха.

С одной стороны, этот процесс гарантирует, что почти все топливо получит кислород, необходимый для сгорания, прежде чем он охладится ниже температуры сгорания за счет контакта с поверхностями теплообмена. Это также предотвращает взрыв топлива, которое не полностью сгорело в котле.

С другой стороны, избыток воздуха тратит энергию на перенос тепла вверх по дымовой трубе. Между эффективностью сгорания и безопасностью существует тонкая грань, обеспечивающая подачу как можно меньшего количества избыточного воздуха в горелку.

Владельцы и операторы котлов захотят узнать, эффективны ли их операции. Поскольку цель состоит в повышении энергоэффективности котлов, может оказаться полезным анализ причин потерь тепла при работе котлов.

ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ в котле хорошо описаны Американским обществом инженеров-механиков (ASME) в его строгом коде проверки мощности PTC4.1 (1973). Код испытаний применим к любому типу используемого топлива. Однако большинство котлов и обогревателей в Канаде возгорается из-за природного газа или мазута.В таких системах многие потери, перечисленные в коде, не применяются. А другие системы достаточно малы, чтобы их потери можно было отнести к категории «неучтенных», для которой можно принять значение. В упрощенном методе количественной оценки КПД котла используется это уравнение:

КПД (E)% = (Выход ÷ Вход) X 100, где: Выход = Вход — Потери

Или

КПД (E)% = 100 — потери, где потери могут быть рассчитаны в соответствии с кодом проверки мощности ASME.

Поскольку в этом коде используются британские единицы измерения, необходимо преобразовать температуру в градусы Фаренгейта (ºF), а единицы нагрева в британские тепловые единицы на фунт (БТЕ / фунт), что можно сделать с помощью следующих формул преобразования:

ºF = (1,8 X ºC) + 32
БТЕ / фунт. = 0,4299 X кДж / кг

Следующие четыре основных типа потерь энергии относятся к системам природного газа и мазута.

Сухие потери дымовых газов (LDG)

Тепло теряется в «сухих» продуктах сгорания, которые несут только физическое тепло, поскольку не происходит изменения состояния.Эти продукты представляют собой диоксид углерода (CO ₂ ), оксид углерода (CO), кислород (O ₂ ), азот (N ₂ ) и диоксид серы (SO ₂ ). Концентрации SO ₂ и CO обычно находятся в диапазоне миллионных долей (ppm), поэтому с точки зрения потерь тепла ими можно пренебречь. Рассчитайте потери сухого дымового газа (LDG) по следующей формуле:

LDG = [24 x DG x (FGT — CAT)] ÷ HHV, где

DG (фунт / фунт топлива) = (11CO ₂ + 😯 ₂ + 7N ₂ ) x (C + 0.375S) ÷ 3CO ₂
FGT = температура дымовых газов, ºF
CAT = температура воздуха для горения, ºF
HHV = более высокая теплотворная способность топлива, БТЕ / фунт.
CO ₂ и O ₂ = объемные проценты в дымовых газах
N ₂ = 100 — CO ₂ — O ₂
C и S = ​​массовая доля в анализе топлива

Сведение к минимуму избытка воздуха снижает потери сухих дымовых газов.

Потери из-за влаги при сгорании водорода (LH)

Водородный компонент топлива покидает котел в виде водяного пара, унося с собой энтальпию — или теплосодержание — в соответствии с условиями температуры и давления.Пар — это пар с очень низким давлением, но с высокой температурой дымовой трубы. Большая часть его энтальпии находится в тепле испарения. Значительные потери составляют около 11 процентов для природного газа и 7 процентов для мазута. Этот убыток (LH) можно рассчитать следующим образом:

LH (%) = [900 x H ₂ x (hg — hf)] ÷ HHV, где

H ₂ = массовая доля водорода в анализе топлива
hg = 1055 + (0,467 x FGT), БТЕ / фунт.
hf = CAT — 32, БТЕ / фунт.

Где hg — энтальпия водяного пара при 1 фунтах на квадратный дюйм манометра и температуре дымовых газов (FGT), а hf — энтальпия воды при температуре воздуха для горения (CAT).

Только конденсационный теплообменник значительно снизит эти потери.

Таблица 1. Прямой метод расчета КПД котла

1. Измерьте расход пара в кг (или фунтах) за установленный период, например один час. Используйте показания парового интегратора, если таковые имеются, и скорректируйте давление калибровки сопла. В качестве альтернативы можно использовать интегратор питательной воды, если таковой имеется, который в большинстве случаев не требует корректировки давления.
   
2. Измерьте расход топлива за тот же период.Используйте газовый или масляный интегратор или определите массу используемого твердого топлива.
   
3. Преобразование расхода пара, расхода питательной воды и расхода топлива в идентичные единицы энергии, например БТЕ / фунт или кДж / кг.
   
4. Рассчитайте КПД, используя следующее уравнение: КПД = 100 x (энергия пара — энергия питательной воды) ÷ энергия топлива

Потери из-за излучения и конвекции (LR)

Эта потеря происходит от внешних поверхностей работающего котла. Для любого котла при рабочей температуре потери постоянны.Выраженные в процентах от тепловой мощности котла, потери увеличиваются по мере уменьшения мощности котла. Следовательно, работа котла с полной нагрузкой снижает процент потерь. Поскольку площадь поверхности котла зависит от его объема, относительные потери ниже для большего котла и выше для меньшего. Вместо сложных расчетов определите потери на излучение и конвекцию, используя стандартную диаграмму, доступную в Американской ассоциации производителей котлов (ABMA).

Неучтенные убытки (LUA)

По причинам, указанным ранее, используйте предполагаемое значение потерь 0.1 процент для котельных систем, работающих на природном газе, и 0,2 процента для систем, работающих на жидком топливе.

Затем рассчитайте КПД следующим образом:

КПД (E)% = 100 – LDG – LH – LR – LUA, где

LDG = потеря сухого дымового газа
LH = влажность от потери водорода
LR = радиационная и конвекционная потеря
LUA = неучтенные потери

Начните программу управления энергопотреблением котельной с оценки текущего КПД котла. Затем регулярно контролируйте производительность котла, чтобы оценить эффект от принятых мер по энергосбережению и установить цели по улучшению.

Самый простой способ рассчитать эффективность преобразования топлива в пар — это прямой метод расчета (см. Таблицу 1) с использованием данных о производстве пара и расходе топлива из журналов эксплуатации. Однако этот метод может быть не таким точным, как косвенный метод, из-за ошибок в измерении расхода топлива и расхода пара.

Предыдущая страница | Содержание | Следующая страница

Контроль TDS в котловой воде

Клапаны продувки

Клапаны непрерывной продувки

В простейшем виде это игольчатый клапан.На виде сверху кольцевое пространство:

• Наружная окружность определяется седлом клапана.
• Внутренняя окружность, определяемая иглой.

Если требуется увеличение скорости потока, игла вынимается из седла и зазор между иглой и седлом увеличивается.

Для обеспечения разумной скорости через отверстие размер отверстия, необходимый для продувки потока 1111 кг / ч (из Примера 3.12.5), должен составлять около 3.6 мм.

Принимая диаметр седла клапана равным 10 мм, можно рассчитать диаметр иглы в точке, где он установлен, чтобы обеспечить требуемый расход 1111 кг / ч, следующим образом:

Следовательно: Решение уравнения показывает, что диаметр иглы при правильной настройке составляет 9,33 мм. Зазор составляет половину разницы диаметров при требуемом расходе 1111 кг / ч, а именно:

Это фундаментальный недостаток клапанов непрерывной продувки; зазор настолько мал, что трудно избежать засорения мелкими частицами.

Кроме того, еще предстоит решить проблему образования проблесков над седлом клапана. Небольшие зазоры означают, что смесь пара и воды с высокой скоростью течет близко к поверхностям иглы и седла. Эрозия (волочение проволоки) неизбежна, что приводит к повреждению и последующему отказу от отключения.

Клапаны непрерывной продувки разрабатывались на протяжении многих лет на основе простых игольчатых клапанов и теперь включают несколько ступеней, возможно, в форме трех или четырех седел клапана, которые постепенно увеличиваются, и даже включают винтовые проходы.Цель состоит в том, чтобы рассеивать энергию постепенно, поэтапно, а не сразу.

Этот тип клапана был первоначально разработан для ручного управления и был снабжен шкалой и стрелкой, прикрепленными к ручке. В рабочих условиях была взята проба котловой воды, определено TDS и произведена соответствующая регулировка положения клапана.

Чтобы идти в ногу с современными технологиями и требованиями рынка, некоторые из этих клапанов непрерывной продувки оснащены электрическими или пневматическими приводами.Однако фундаментальная проблема малых зазоров, прошивки и вытяжки все еще существует, и повреждение седла клапана неизбежно. Несмотря на использование системы управления с обратной связью, произойдет чрезмерная продувка.

Запорные клапаны продувки котла

Есть преимущество в использовании большего устройства управления с большими зазорами, но открывать его только на некоторое время. Ясно, что умеренность необходима, если TDS котла необходимо поддерживать в пределах разумных значений, а клапаны DN15 и 20 являются наиболее распространенными размерами, которые можно найти.

Типичная конфигурация заключается в настройке контроллера на открытие клапана, например, при 3 000 ppm, а затем на закрытие клапана при 3 000 — 10% = 2 700 ppm. Это обеспечит хороший баланс между клапаном разумного размера и точным управлением.

• Также важен тип выбранного клапана:
• Для небольших котлов с низкой скоростью продувки и давлением менее 10 бар (изб.) Электромагнитный клапан соответствующего номинала будет экономичным решением.

Для более крупных котлов с более высокой скоростью продувки и, конечно, для котлов с рабочим давлением более 10 бар (изб.), Требуется более сложный клапан, чтобы отводить оплавление от седла клапана для защиты его от повреждений.

этого типа также могут иметь регулируемый ход, что позволяет пользователю гибко выбирать скорость продувки, подходящую для котла и любого используемого оборудования для рекуперации тепла.

Электролиз воды с индуктивными импульсами напряжения

1. Введение

Основная идея водородной экономики состоит в создании моста между энергоресурсами, производителями и потребителями энергии. Если водород производится из возобновляемых источников энергии (ветра, солнца, воды, биомассы и т. Д.)) и используется для производства энергии в процессе каталитического сгорания, то жизненный цикл энергии не загрязняет природу дольше. С переходом к водородной экономике общество будет жить в соответствии с моделью устойчивого развития, определенной в 1987 году (Наше общее будущее, 1987).

Водород недоступен на Земле в свободном виде; поэтому производственный процесс составляет основную часть конечной цены на водород (Hydrogen Pathway, 2011). Это основная причина, по которой исследования эффективных методов электролиза очень актуальны.На нашей планете водород в основном находится в таких соединениях, как углеводороды, вода и т. Д., И для выделения из них водорода требуется соответствующая энергия. В принципе количество потребляемой энергии всегда больше, чем то, которое может быть извлечено из водорода, а в реальных условиях эксплуатации КПД цикла не превышает 50% (The Hydrogen Economy, 2004). Текущая проблема мотивирована поиском улучшений существующих и открытием новых технологий для производства водорода из воды — широко доступного и возобновляемого ресурса на Земле.

Электролиз воды известен уже более 130 лет, и разработаны различные технологии, обеспечивающие энергопотребление около 3,6 кВтч / м ³ — высокотемпературный электролиз и 4,1 кВтч / м. ³ — щелочные электролизеры комнатной температуры и протонообменная мембрана. электролизеры (The Hydrogen Economy, 2004). Более низкие затраты на производство водорода предназначены для технологий, использующих замкнутые термохимические циклы, но только в тех местах, где доступно огромное количество отработанного тепла (например, атомные электростанции (The Hydrogen Economy, 2004).Тем не менее, какова будет цена на водород сегодня, в будущем только водород, полученный из возобновляемых источников с использованием электроэнергии из возобновляемых источников энергии, спасет мир, как было заявлено на 2-м Всемирном конгрессе по водороду в Турции (Избранные статьи, 2009). Для Латвии водород, полученный путем электролиза с использованием электричества из возобновляемых источников (ветер, солнце, вода), также будет лучшим решением для перехода к экономике водорода (Dimants et all, 2011). Это потому, что все возобновляемые источники энергии, доступные в географическом положении Латвии, дают нестабильную и прерывистую энергию, для чего необходимы решения для хранения.Использование водорода в качестве энергоносителя, производимого из электроэнергии, произведенной из возобновляемых источников энергии, хранящейся и после использования в батарее топливных элементов для выработки электроэнергии, является лучшим решением (Zoulias, 2002). Для этого требуются эффективные и стабильные электролизеры. Установки электролиза меньшего размера необходимы также для технических решений, в которых водород производится и используется непосредственно по запросу, например, водородные сварочные аппараты, автомобили внутреннего сгорания, работающие на водороде (Kreuter and Hofmann, 1998).

Питание постоянного тока обычно используется для электролиза, однако предлагается также импульсное питание (см., Например, Gutmman and Murphy, 1983).При использовании источника постоянного тока с механическим прерыванием (Brockris and Potter, 1952; Bockris et all, 1957) было замечено следующее интересное явление: сразу после приложения напряжения к электрохимической системе наблюдался сильный, но непродолжительный всплеск тока. Когда подаваемое напряжение было отключено, значительный ток продолжает течь в течение короткого времени. В 1984 году Горохчян и Бокрис разработали униполярный генератор для управления электролизером импульсным постоянным напряжением. Они пришли к выводу, что скорость производства водорода будет почти вдвое больше, чем скорость производства постоянного тока.

Латвийская группа исследователей водорода разрабатывает индуктивные импульсные схемы питания для электролизера воды (Vanags et all, 2009, 2011a, 2011b). Исследования выявили несколько существенных отличий от обычного электролиза воды постоянным током. Создана и описана новая модель, а также выдвинута гипотеза о том, что молекула воды может расщепляться на водород и кислород на одном электроде (Vanags et all, 2011a). Найден и объяснен принцип высокоэффективного электролиза.Для электролиза воды разработан новый тип схемы электропитания на основе индуктивного генератора импульсов напряжения. Газы, выделяющиеся в процессе электролиза от электродов, впервые количественно и качественно анализируются с помощью микросенсоров (растворенные газы в растворе электролита рядом с электродом) и масс-спектрометра (выделяющиеся в атмосфере газы). Гипотеза выделения водорода и кислорода на катоде в процессе импульсного электролиза оригинальна, как и интерпретация процесса с механизмами релаксации электронов, эмитированных катодом и сольватированных в электролите (Vanags, 2011b).

2. Обзор литературы

2.1. Краткая история электролиза воды. электролизер в результате перепрыгивания искры в электростатическом генераторе. Образовавшиеся газы вытеснили воду из лейденской банки во время эксперимента, и искра прыгнула в собранную газовую смесь, вызвав взрыв.Исследователи решили, что они разложили воду на водород и кислород в стехиометрической пропорции 2: 1; они опубликовали результаты в 1789 году, который считается годом открытия электролиза воды (Zoulias et all, 2002; De Levie, 1999). За более чем сто лет, в 1902 году во всем мире использовалось более 400 промышленных электролизеров, но в 1939 году была введена в эксплуатацию первая крупная установка для электролиза воды с производительностью по водороду 10000 нм ³ / час (Zoulias et al., 2002).Электролизеры высокого давления впервые были изготовлены в 1948 году; В 1966 году General Electric построила первую систему электролиза с твердым электролитом, а в 1972 году был построен первый твердооксидный высокотемпературный электролизер. Однако в настоящее время ведется разработка устройств для электролиза наряду с разработкой протонообменной мембраны, которую можно использовать в водных электролизерах и топливных элементах, наряду с разработкой высокотемпературных твердооксидных электролизеров, а также оптимизацией щелочных электролизеров. (Кройтер В. и Хофманн Х (1998).

2.2. Электролиз воды постоянным током

При растворении кислоты в воде (например, серной кислоты) молекулы воды и кислоты диссоциируют на ионы. То же самое происходит, если щелочь (например, КОН) растворяется в воде, раствор диссоциирует на ионы, создавая ионный проводник или электролит. Образован ионный проводник, по которому будет проходить постоянный ток. На электродах происходят процессы в случае серной кислоты — положительные ионы гидроксония H ₃ O ⁺ (катион) перемещаются в сторону отрицательного электрода.Когда катионы достигают электрода, они получают недостающие электроны (Zoulias et all, 2002):

2h4O ++ 2e⇒h3 + 2h3OE1

Водород образуется в виде газа из среды, в свою очередь, вода снова диссоциирует на ионы. Реакция на аноде или положительном электроде в щелочной среде следующая (Zoulias et all, 2002):

2OH −− 2e⇒12O2 + h3OE2

Кислород выделяется в виде газа, но вода снова диссоциирует на ионы. В описанном процессе получают три части объема газообразного вещества — две части водорода и одну часть кислорода.В случае щелочного электролита есть поляризованные молекулы воды, атомы водорода которых ориентированы к электроду, вблизи катода, и происходит реакция диссоциации:

2h3O + e⇒2OH− + h3E3

Первый закон термодинамики для В открытой системе указано, что:

Q — W _с = ΔHE4

где Q — количество тепла, подаваемого в систему, W _с — количество соответствующей работы, выполненной системой, а ΔH — изменение энтальпии системы. .Проделанная работа — это электричество, использованное в электролизере, поэтому W _s составляет:

W _s = -nFE E5

где:

n — количество перенесенных электронов;

F — Постоянная Фарадея: = 23 074 кал / вольт ^. г-эквивалент;

E — Электрический потенциал ячейки в вольтах.

Используя уравнение (5), преобразуйте выражение (4), получив:

E = ΔH − QnFE6

В изотермическом обратимом процессе (без потерь) Q составляет:

Q _atg = TΔS E7

, где T — абсолютная температура, а ΔS — изменение энтропии системы.Из (6) и (7) получается значение потенциала обратимой реакции, при котором невозможно разложить воду на водород и кислород в реальном времени:

Erev = ΔH − TΔSnFE8

(ΔH — ΔS) — изменение свободной энергии Гиббса ΔG . При нормальной температуре и давлении ((температура 25 ^o C и давление 1 атм) ΔH равно 68 320 кал / гмоль и ΔG равно 56 690 кал / гмоль. Следовательно, обратимый потенциал ячейки равен:

Erev = ΔGnF = 56,6902 (23,074) = 1,23VE9

Потенциал, где Q равно нулю, а подводимая энергия преобразуется в химическую энергию, называется термо-нейтральным напряжением (Oldham and Myland, 1993; Bockris and Potter, 1952):

Ethermo = ΔHnF = 1,48VE10

Напряжение разделения воды в практических электролизных устройствах выше, чем напряжение термо-нейтральной ячейки из-за преобразования в тепло, которое нагревает ячейку.Поэтому для промышленного электролизера требуется дополнительное охлаждение, и значение постоянного напряжения определяется:

E = E _об. + потери (11) E11

, где

потерь = E _анод + E _катод + E _mt + IRE12

В уравнении (12) E _анод — активация перенапряжения анода; E _катод — активация перенапряжения катода; E _mt — перенапряжение массообмена и IR — омическое перенапряжение (включает сопротивление в электролите, на электродах, выводах).Плотность тока должна быть выше 100 мА / см ² в промышленных электролизерах, поэтому напряжение, приложенное к отдельной ячейке, частично преобразуется в тепло, что становится типичной потерей при электролизе воды постоянным током.

Можно записать выражение для коэффициента эффективности электролиза воды, рассчитанного в зависимости от термо-нейтрального напряжения, используя приведенные выше соотношения (Bockris and Potter, (1952):

η = ΔHΔG + loss = EthermoEE13

Когда ΔG отрицательно, реакции являются спонтанными, и работа выполняется путем высвобождения энергии.Когда ΔG положительный, для реакции необходимо использовать внешнюю работу. Что касается обеспечения реакции, работа должна вестись, водоэлектролизная ячейка не работает самопроизвольно. Реакция в топливных элементах происходит спонтанно из-за катализатора, и во время реакции выделяется энергия (Салем, 2004).

Реакция выделения водорода (HER) — одна из наиболее широко исследуемых реакций в электрохимии. Исследования HER проводятся в системах различного типа и следующие друг за другом процессы разделены (Салем, 2004; Хейровский, 2006; Мерфи, 1983; Бокрис, 1957; Эль-Мелиги, 2009; Сасаки, Мацуда, 1981; Ноэль и Vasu, 1990; Kristalik, 1965): стадия электрохимического разряда Фольмера, стадия электрохимической десорбции Гейровского, стадия каталитической рекомбинации Тафеля.Каждая из стадий может быть стадией ограничения реакции в определенной системе на протяжении всей реакции. Это означает, что каждый шаг может иметь разную скорость реакции, и самый медленный шаг будет определять скорость реакции. Перенос заряда может начаться, когда реагент находится рядом с электродом. Двумя наиболее типичными этапами являются перенос заряда, заканчивающийся адсорбцией атома водорода, и рекомбинация адсорбированных атомов с последующей десорбцией молекулы H ₂ .

Общее уравнение электрохимической реакции связывает ток с потенциалом (Ноэль и Васу, 1990):

ic = i → −i ← = i0 [exp (−βληFRT) −exp ((1 − β) ληFRT)] E14

β — коэффициент симметрии (0, ½, 1 для процесса без активации, нормального процесса и безбарьерного процесса соответственно).

2.3. Граница раздела между электродом и электролитом: двойной слой

Когда два одинаковых электрода (проводника) погружены в электролит, первоначально между ними нет измеряемого напряжения. Но когда аккумулятор заставляет ток течь от одного стержня к другому, на каждой границе раздела жидкость / твердое тело естественным образом создается разделение зарядов, и образуются два электрохимических конденсатора, соединенных последовательно. Типичные конденсаторы накапливают электрический заряд физически, без химических или фазовых изменений, и этот процесс очень обратим; цикл разряд-заряд может повторяться снова и снова, практически без ограничений.В электрохимическом конденсаторе на границе раздела электрод / электролит сольватированные ионы в электролите притягиваются к поверхности электрода за счет равного, но противоположного заряда в ней. Эти две параллельные области зарядов на границе раздела образуют «двойной слой», где разделение зарядов измеряется в размерах молекул (то есть в несколько ангстрем), а площадь поверхности измеряется в тысячах квадратных метров на грамм электродного материала (Miller and Simon, 2008 г.).

Двухслойные явления и электрокинетические процессы — основные элементы электрохимии.Считается, что поведение интерфейса следует описывать в терминах конденсатора. Следствием подхода «бесплатного заряда» является то, что в случае непрерывного протекания тока через границу раздела следует проводить строгое различие между так называемыми нефарадеевскими токами и токами Фарадея. Первый отвечает за зарядку двухслойного конденсатора, а второй — за поток заряда, связанный с процессами переноса заряда, происходящими на границе раздела (Horányi, Láng, 2006).Состояние границы раздела при постоянном давлении и температуре можно изменить, изменив концентрацию компонентов в объемных фазах и построив электрическую цепь с помощью противоэлектрода и пропустив электрический ток через цепь, что может быть выражено как:

i = i ‘+ i’, E15

Were i` — зарядный ток двойного слоя, а i« — перенос заряда или ток Фарадея. Ток зарядки двойного слоя можно рассматривать как идеальный ток зарядки конденсатора, равный C∂η∂t, где η — перенапряжение, а C — емкость двойного слоя.Переписывая уравнение (15), получаем следующее текущее уравнение:

i = C∂η∂t + i»E16

, которое вызвало много споров. Пол Делахайс писал в 1966 году, что это уравнение позволяет отделить нефарадеевские процессы от процессов Фарадея, но в то же время заключает, что процессы переноса заряда и зарядки Фарадея нельзя разделить априори в нестационарных электродных процессах из-за явления разделения заряда или рекомбинации на границе электрод-электролит без протекания внешнего тока.Зарядка идеального поляризованного или обратимого электрода представляет собой только два предельных случая более общего случая (Delahay, 1966). Nisancioglu и Newman (2012) в своей статье, даже не вдаваясь в предположения и основываясь только на уравнении баланса масс, получили следующее текущее уравнение: i = dq / dt + i » и показали, что априорное разделение двухслойной зарядки и процессов Фарадея в электродных реакциях — это массовый баланс компонентов поверхности электрода. Уравнение (1) справедливо, если скоростью изменения концентрации частиц, которые принимают участие в электродной реакции, можно пренебречь на поверхности электрода.

2.4. Разделение воды при импульсном электролизе

Существуют различные способы разделения воды, впервые рассмотренные Бокрисом и всеми (1985), которые резко отличаются от обычного электролиза воды постоянным током. Наиболее распространенными могут быть: термохимическое, сонохимическое, фотокаталитическое, биологическое расщепление воды; расщепление воды под действием магнитного поля и центробежной силы вращения; импульсный электролиз и плазменный электролиз. Что касается импульсного электролиза, Горохчян и Бокрис в 1956 году уже определили, что импульсный электролиз более эффективен, чем обычный электролиз.В 1970-1990 годах появилось много новых патентов на импульсный электролиз (Horvath, 1976; Spirig, 1978; Themu, 1980; Puharich, 1983; Meyer, 1986; Meyer, 1989; Meyer, 1992a, 1992b; Santilli, 2001; Chambers, 2002). заявляя, что был изобретен сверхэффективный электролиз (т.е. КПД по току выше 100%). Схема разделения воды, описанная в этих патентах, вызвала огромный интерес, но до сих пор никому не удавалось интерпретировать эти схемы и механизмы их работы, и, что более важно, никому не удалось экспериментально повторить запатентованные устройства.

При прерывистом электролизе на постоянном токе диффузионный слой у электрода можно разделить на две части: одна часть, расположенная на поверхности электрода, характеризуется импульсной концентрацией активных ионов, а другая часть является неподвижной, как диффузионный слой в случае DC. Концентрация активных ионов в пульсирующем диффузионном слое изменяется от определенного начального значения при наложении импульса до следующего значения, когда он истекает. Концентрация активных ионов в импульсе может упасть или не упасть до нуля.Время, необходимое для того, чтобы концентрация активных ионов упала до нуля, называется временем перехода τ. Время перехода зависит от импульсного тока i _p и длительности импульса T . Если обеднение в неподвижном диффузионном слое невелико, то есть c ‘ _e ≈c ₀ , было c’ _e — концентрация ионов на внешнем крае импульсного слоя, и c ₀ — объемная концентрация, время перехода можно найти из уравнения Сэнда (Bott, 2000):

τ = πDc02 (zF) 24ip2E17

где F — постоянная Фарадея, z — номер заряда, а D — его коэффициент диффузии.Как видно, время перехода τ зависит от концентрации ионов в объемном объеме c ₀ и плотности импульсного тока i _p . Толщина импульсного слоя δ _p в конце импульса зависит только от плотности импульсного тока:

δp = 2 (DTπ) 1 / 2E18

При очень коротких импульсах можно получить очень тонкий пульсирующий слой. Этот тонкий слой позволит временно наложить очень высокие плотности тока во время металлизации (более 250 А / см ² , что в 10000 раз выше, чем токи при обычном электролизе), что ускоряет процесс нанесения гальванического покрытия на металл (Ibl et al., 1978).Шероховатая и пористая поверхность образуется при металлизации постоянным током, когда значение тока достигает предела массопереноса. Когда покрытие выполняется импульсным током, пульсирующий диффузионный слой всегда будет намного тоньше шероховатости поверхности, а это означает, что в случае достижения предела массопереноса поверхность с покрытием остается однородной и копирует шероховатость подложки. Эта особенность отдает предпочтение импульсному току в процессах нанесения покрытия на металл по сравнению с обычным покрытием постоянного тока, поскольку можно использовать максимально возможную мощность (ток выше предела массопереноса) для получения однородных покрытий в кратчайшие сроки (Ibl et all, 1978).

Импульсный электролиз широко исследуется с использованием различных технологий (Hirato et all, 2003; Kuroda et all, 2007; Chandrasekar et all, 2008). Во всех этих технологиях в основном используются прямоугольные импульсы, которые должны быть активными по своей природе. Shimizu et all (2006) применили индуктивные импульсы напряжения к электролизу воды и показали значительные отличия от обычного электролиза воды постоянным током. Вывод этого исследования состоит в том, что эффективность электролиза воды такого типа не зависит от мощности электролиза, что противоречит общепринятому мнению об электролизе.

Мы изучили индукционный электролиз напряжения и выдвинули гипотезу о том, что импульсный процесс отделяет геометрическую емкость ячейки и ток заряда двойного слоя от тока электрохимической реакции с переносом заряда (Vanags (2009), Vanags (2011a, 2011b). Чтобы доказать это, мы проведено множество экспериментов, подтверждающих отделение процесса зарядки двух слоев от реакции электрохимического расщепления воды. Нет исследований об использовании реактивного короткого импульса напряжения при электролизе водного раствора; также не используются микроэлектроды для определения присутствия растворенного водорода и кислорода. рядом с катодом в процессе электролиза.

3. Экспериментальная

3.1. Материалы и оборудование

Материалы, инструменты и оборудование, использованные в этой работе, собраны в Таблицах 1 и 2.

3.2. Генератор индуктивных импульсов обратного напряжения

Импульсы индуктивного напряжения генерировались в электрической цепи (рис.1), состоящей из генератора импульсов, источника постоянного тока, полевого транзистора BUZ350 и блокирующего диода (Shaaban, 1994; Smimizu et al. , 2006). Специальный широкополосный трансформатор был намотан бифилярно с помощью двух скрученных вместе проводов.Прямоугольные импульсы от генератора подавались на полевой транзистор, включенный последовательно с источником питания постоянного тока. Коэффициент заполнения импульсов поддерживался постоянным (50%). Для получения индуктивных импульсов обратного напряжения первичная обмотка трансформатора запитывается прямоугольными импульсами малой амплитуды. Во вторичной обмотке (соотношение обмоток 1: 1) из-за коллапса индуцированного в катушке магнитного поля возникает очень резкий индуктивный импульс с большой амплитудой и противоположной полярностью по отношению к приложенному напряжению.Импульс индуцированного обратного напряжения проходит через блокирующий диод, и результирующий высоковольтный импульс длительностью ~ 1 мкс подается на электролитическую ячейку. Двухлучевой осциллограф GWinstek ГРС-2204 был использован для записи напряжения (то есть его падение на эталонном сопротивлении) и ток в цепи.

MOSFET (IRF840) используется в качестве полупроводникового переключателя между источником питания постоянного тока и цепью заземления. Импульсный трансформатор — соленоидный с бифилярными обмотками; длина 20 см, диаметр катушки 2.3 см и ферритовый стержневой сердечник. Количество витков как в первичной, так и во вторичной обмотке составляет 75, поэтому соотношение составляет 1: 1. Индуктивность соленоида примерно 250 мкГн. Во вторичную цепь включен сверхбыстрый блокирующий диод с временем закрытия 10 нс, чтобы передавать на электролизер только импульсы, наведенные в трансформаторе с противоположной полярностью. Прямые импульсы блокируются диодом.

Таблица 1.

Материалы и оборудование, использованные в данной работе.

Таблица 2.

Состав нержавеющей стали 316L, используемой для электродов (мас.%).

Рисунок 1.

Экспериментальная схема для генерации индуктивных импульсов обратного напряжения.

3.3. Конструкция электролизеров

Эксперименты в этой главе разделены на пять частей. В первой части объясняется скорость выделения газа и определяются коэффициенты эффективности (КПД по току и КПД). Во второй части исследуется кинетика индуктивного импульса напряжения, подаваемого на электролизер, при изменении концентрации электролита и расстояния между электродами.В третьей части описывается применение микродатчиков дыхания для измерения концентрации растворенного газообразного водорода непосредственно на поверхности катода в электролизной ячейке, запитываемой индуктивными импульсами напряжения. В четвертом эксперименте изучалась кинетика импульсов индуктивного напряжения в очень разбавленных растворах электролитов. Четвертый эксперимент также заметил интересную особенность в кинетике импульсов тока, поэтому проводится дополнительный эксперимент для измерения концентрации выделяющегося водорода на катоде с помощью кислородного микродатчика.Этому эксперименту посвящен пятый.

Количество выделяющихся газов при электролизе определяли методом объемного вытеснения (рис. 2).

Рисунок 2.

Принципиальная схема определения объема выделившихся газов.

Электролизная ячейка находится в отдельной камере, закрытой герметичной крышкой. К дну электролизной камеры прикреплена изогнутая на 180 градусов стеклянная трубка. Трубка градуирована в единицах объема над уровнем электролита. Газы, возникающие в процессе электролиза, давят на электролит, и уровень в калиброванной трубке увеличивается, что дает примерный объем выделяемых газов.Относительная погрешность 5% в измеренном значении объема по разным причинам; Самая большая погрешность определяется давлением газа, образующегося во время электролиза — выше атмосферного. Газы получают при электролизе из расчета 2/3 объема водорода и 1/3 кислорода. Зная массу водорода, образовавшегося за период t _exp , можно рассчитать заряд, необходимый для производства такого количества, и сравнить его с потребляемой энергией — результатом будет текущая эффективность конкретной электролизной ячейки.Энергоэффективность рассчитывается на основе потребляемой энергии по сравнению с тем, что можно получить при сжигании произведенного количества водорода с наивысшей теплотворной способностью — 140 МДж / кг.

В экспериментах использовалась самодельная ячейка для электролиза воды с подвижным электродом. Он состоит из полиэтиленовой оболочки со встроенным микровинтом с одной стороны. С помощью проволоки из нержавеющей стали микровинт соединяется с подвижным электродом, расположенным перпендикулярно полости электролита (диаметр 40 мм). Неподвижный электрод из нержавеющей стали такой же площади расположен напротив движущегося электрода.В экспериментах использовались пластинчатые электроды из нержавеющей стали SUS316L равной площади (2 см ² ). Перед экспериментами электроды механически полировались и промывались ацетоном и деионизированной водой. В качестве электролита использовался раствор КОН в воде разной концентрации. При каждой концентрации электролита расстояние между электродами изменяли микровинтом с 1 мм до 5 мм. Во время эксперимента была заполнена соответствующая концентрация раствора электролита, и ячейка была подключена к индуктивному генератору импульсов напряжения.При каждой концентрации электролита осциллограммы тока и напряжения снимались при расстоянии между электродами от 1 до 5 мм (шаг 1 мм). Осциллограммы дополнительно анализировались с расчетом потребляемого заряда, энергии импульса, а в некоторых случаях — энергетических факторов.

Для измерения концентрации растворенного водорода на катоде при электролизе использовалась самодельная ячейка (рис. 3). Ячейка состоит из трех камер, связанных ионно-проводящими мостиками.

Рисунок 3.

Трехкамерная электролизная ячейка для измерения концентрации растворенного водорода.

Первая камера предназначена для противоэлектрода из никелевой пластины, вторая — для рабочего электрода — гладких проволок (диаметр 0,5 мм, длина 100 мм) из вольфрама и платины, а третья камера использовалась для электрода сравнения в некоторых конкретных экспериментах. Pt и W электроды перед экспериментами очищали, протравлив их в течение 24 часов в концентрированном растворе щелочи и ополаскивая деионизированной водой. Концентрация растворенного водорода определялась с помощью микродатчика дыхания, обычно используемого в биологических экспериментах (Unisense, 2011).Микросенсор водорода Unisense представляет собой миниатюрный датчик водорода типа Кларка с внутренним электродом сравнения и чувствительным анодом. Датчик должен быть подключен к высокочувствительному пикоамперметру, анод которого поляризован относительно внутреннего эталона. Под действием внешнего парциального давления водород из окружающей среды будет проходить через мембрану наконечника датчика и окисляться на поверхности платинового анода. Пикоамперметр преобразует полученный ток окисления в сигнал. В наших экспериментах датчик h3100 с диаметром наконечника 110 мкм располагался как можно ближе к катоду (расстояние <1 мм).Перед экспериментами микросенсор был градуирован по двум точкам - нулевая концентрация H ₂ (газ Ar барботируется через деионизированную воду) и 100% или 816 ммоль / л при 20 ^o C (газ H ₂ барботируется через деионизированную воду. — из руководства пользователя Unisense, 2011). Эксперимент проводился следующим образом: на ячейку подавались отдельные индуктивные импульсы напряжения и регистрировались осциллограммы напряжения и тока. В то же время концентрацию растворенного водорода измеряли с помощью микродатчика.

Рисунок 4.

Ячейка для электролиза воды для измерения концентрации растворенного кислорода.

Кислородный микродатчик (также из Unisence, 2011) использовался для измерения концентрации растворенного водорода вблизи катода во время индукционного импульсного электролиза (рис. 4). Микросенсор кислорода — это датчик типа Кларка, основанный на диффузии кислорода через силиконовую мембрану к катоду, восстанавливающему кислород, который поляризован по сравнению с внутренним анодом Ag / AgCl. Поток электронов от анода к катоду, восстанавливающему кислород, линейно отражает парциальное давление кислорода вокруг наконечника датчика (диаметр 100 мкм) и находится в диапазоне pA.Сила тока измеряется пикоамперметром. Для генерации коротких индуктивных импульсов напряжения используется та же схема (глава 3.2). Кювета заполнена деионизированной водой, и генератор установлен в режиме, когда на осциллограммах наблюдается выраженный отрицательный пик тока.

Концентрация кислорода измеряется одновременно с помощью микродатчика, предварительно откалиброванного в деионизированной воде, барботированной кислородом.

Специальная электролизная ячейка была изготовлена ​​для исследования кинетики индукционного импульсного электролиза в разбавленных электролитах (рис. 5).Он был изготовлен из стеклянной чаши с двумя отдельными держателями электродов, снабженными винтами для электродов из проволоки из нержавеющей стали 316L (диаметр 2 мм, длина 100 мм). Стальные электроды перед экспериментами очищали, протравлив в течение 24 часов в концентрированном растворе щелочи и промывая деионизированной водой вместе со стеклянной чашей электролизера. Приготовили сильно разбавленный электролит, залив в ячейку 350 мл деионизированной воды и добавив по каплям 5 М электролита из капельницы калиброванного объема (0,05 ± 10% мл).В экспериментах использовались четыре электролита (КОН, NaOH, LiOH, H ₂ SO ₄ ), и измерения регистрировались после каждой капли.

4. Результаты и анализ

4.1. КПД по току и энергии

Средние значения напряжения и тока, а также поток генерируемого газообразного водорода в зависимости от концентраций КОН показаны в таблице 3. Теоретически максимальный ток рассчитывается, зная поток газообразного водорода, исходя из предположения, что 2 электрона генерируют одну молекулу водород.Используя данные из таблицы 3, коэффициенты эффективности тока и энергии рассчитываются для процесса импульсного электролиза (см. Таблицу 4), исходя из предположения, что первичная и вторичная стороны импульсного трансформатора представляют собой две отдельные системы, которые связаны только средним значением тока, протекающего в клетка.

Таблица 3.

Параметры регистрируемых импульсов напряжения и тока на электролизере.

Это предположение не совсем верно, но приемлемо.Если смотреть со стороны первичной цепи, генератор импульсов представляет собой включенный в его схему реактивный элемент — индукционную катушку (первичная обмотка импульсного трансформатора).

Таблица 4.

Коэффициенты эффективности по току и энергии

При отключении вторичной стороны первичная сторона ничего не потребляет (кроме мощности, которая распределяется на элементы с активными сопротивлениями, включенными в первичную цепь). При подключении вторичной стороны активная амплитуда импульса напряжения 1 В на первичной стороне не может потреблять больше, так как необходимо превышение электролизного перенапряжения — не менее 1,23 В (соотношение обмоток в катушке 1: 1).

Таким образом, средние значения тока в таблице 3 заменены на ток, потребляемый в системе электроснабжения.Значение напряжения считывается с осциллографа путем измерения импульса напряжения на первичной обмотке. Таким образом исключаются ошибки оборудования, связанные с колебаниями значений напряжения. Затем результирующий импульс усредняется по времени, и результирующие значения напряжения показаны во втором столбце таблицы 5.

Следует отметить, что скорректированные коэффициенты энергоэффективности были рассчитаны без привязки к элементам схемы и количеству генерируемого потока газа. Как видно из таблицы 4.3. Необходимо определить значения тока и напряжения с помощью осциллографа в рамках схемы данного эксперимента, что исключает импульсные схемы для аналоговых погрешностей измерения.

Таблица 5.

Скорректированные параметры напряжения, тока и КПД.

4.2. Кинетика импульсов при различных концентрациях растворов и межэлектродных расстояниях

На рисунке 6 показаны осциллограммы импульсов напряжения и тока для стальных электродных пластин в 0.1 M раствор КОН, где максимальное значение импульса напряжения составляет примерно 5,5 В при расстоянии между электродами 5 мм и падает примерно до 3 В при расстоянии между электродами 1 мм. В 0,3 М растворе КОН (кривые аналогичны 0,1 М раствору) максимальное значение импульса напряжения составляет 3,5 В при расстоянии между электродами 5 мм и снижается до 2,6 В при уменьшении расстояния между электродами до 1 мм. В еще более концентрированном растворе, например, 0,5 М КОН, максимальное значение импульса напряжения на расстоянии между электродами 5 мм составляет примерно 2.9 В, а когда расстояние между электродами составляет 1 мм, оно падает до 2,4 В. Пиковое значение тока существенно не меняется в зависимости от расстояния между электродами или концентрации, но наблюдаются изменения в длине хвоста разряда, что свидетельствует о более высоком заряде в электролизер течет в более концентрированном растворе электролита.

Рисунок 6.

Импульсы тока и напряжения, зарегистрированные осциллографом в 0,1 М КОН.

Если посмотреть на схему генерации импульсов в разделе экспериментальных методов (рис. 1), становится ясно, что высоковольтный импульс, генерируемый в трансформаторе, имеет реактивную природу.Амплитуда реактивного импульса будет зависеть от добротности емкостного элемента. Конденсатор с большой утечкой (концентрированный раствор электролита) не сможет удерживать реактивный импульс большой амплитуды, хотя на предыдущих рисунках показано, что амплитуда тех, которые достигаются во вторичной цепи на электролизере, больше, чем у прямого амплитуда импульса. Это означает, что в первый момент подачи короткого индуктивного импульса ячейка для электролиза воды ведет себя как хороший конденсатор, даже в той области напряжения, в которой может происходить электролиз воды.Но после запуска хвоста разряда энергия, запасенная в емкости, превращается в химическую энергию в процессе электролиза воды.

4.3. Концентрация растворенного водорода на катоде

Импульсы тока и напряжения, зарегистрированные осциллографом (рис.7), показывают, что при изменении материала электрода, нарастающего фронта и релаксации импульсов напряжения не меняется, а амплитуда импульса напряжения уменьшается с увеличением амплитуды импульса тока. при увеличении концентрации раствора.Импульсы тока также не различаются на платиновом и вольфрамовом электродах при одинаковой концентрации растворов КОН (рис. 7). Для оценки энергии импульса, подаваемой в ячейку, значения импульсного напряжения и тока были умножены, и полученные кривые были интегрированы со временем (таблица 6). Каждая строка в Таблице 6 показывает материал электрода и концентрацию раствора, а в следующем столбце — расчетную энергию, подводимую к системе во время импульса.

На рисунке 8 представлены осциллограммы напряжения и тока каждого электрода в одной временной шкале, чтобы лучше оценить угол сдвига фаз между током и напряжением.Заметно существенных различий в углах фазового сдвига в зависимости от материала электродов не наблюдается.

Рисунок 7.

Осциллограммы импульсов тока и напряжения Pt- и W-электродов (Pt — черный и синий, W — зеленый и красный соответственно).

Таблица 6.

Энергия, подводимая к элементу во время импульса, рассчитанная по напряжению и току осциллограммы.

Рисунок 8.

Осциллограммы импульсов тока и напряжения Pt- и W-электродов в 0,1 М и 0,2 М KOH

В каждом эксперименте с микродатчиками для измерения концентрации растворенного водорода время измерения составляло 100 с (кривые на рис.9). Как видно, кривые с наибольшим наклоном представляют собой электролит с большей концентрацией и вольфрамовый электрод, а не платиновый.

Рисунок 9.

Изменение концентрации растворенного газообразного водорода во время импульсного электролиза.

Это означает, что на вольфрамовых электродах концентрация растворенного водорода увеличивается быстрее, чем на платиновых электродах. Как видно из катодной области вольтамперных кривых (рис. 10), для платинового электрода характерный пик адсорбции / поглощения водорода при отрицательных токах появляется при потенциале -0.5 В, но не для вольфрамового электрода.

Рисунок 10.

Вольтамперные характеристики для платиновых и вольфрамовых электродов в 0,1 М растворе КОН, измеренные в двухэлектродной конфигурации при скорости сканирования 10 мВ / с.

Энергия импульсов индуктивных импульсов обратного напряжения ограничена. Напряжение и ток во время импульса реагируют таким образом, что их умножение и следующее интегрирование по времени будут равными при той же концентрации электролита без привязки к материалу используемых электродов.Энергия импульса уменьшается при увеличении концентрации раствора, что свидетельствует об уменьшении компонента реактивной энергии. Следовательно, можно наблюдать, что угол сдвига фаз между током и напряжением меньше в более концентрированном растворе. Поскольку энергия импульса индуктивного напряжения ограничена, на платиновом электроде она расходуется в области адсорбции, тем самым структурируя монослой адсорбции водорода на платиновом электроде. Нет пика адсорбции / поглощения водорода для вольфрамового электрода и во время очень короткого импульса напряжения электроны от th

Электролиз растворов

Блок 21 — Карточки для отопительных котлов

Нам не удалось определить язык звукового сопровождения на ваших карточках. Пожалуйста, выберите правильный язык ниже.

аудио еще не доступно для этого языка

Назад Китайский, PinyinChinese, SimplifiedChinese, TraditionalEnglishFrenchGermanItalianJapaneseJapanese, RomajiKoreanMath / SymbolsRussianSpanishAfrikaansAkanAkkadianAlbanianAmharicArabicArmenianAzerbaijaniBasqueBelarusianBengaliBihariBretonBulgarianBurmeseCatalanCebuanoChamorroChemistryCherokeeChinese, PinyinChinese, SimplifiedChinese, TraditionalChoctawCopticCorsicanCroatianCzechDanishDeneDhivehiDutchEnglishEsperantoEstonianFaroeseFilipinoFinnishFrenchFulaGaelicGalicianGeorgianGermanGreekGuaraniGujaratiHaidaHaitianHausaHawaiianHebrew