3 Основные элементы конструкции электролизеров

3.1 Общие сведения о электролизерах

Электролизёры, аппараты для электролиза, состоящие из одной или многих электролитических ячеек. Электролизёр представляет собой сосуд (или систему сосудов), наполненный электролитом с размещенными в нём электродами - катодом и анодом, соединёнными соответственно с отрицательным и положительным полюсами источника постоянного тока. В промышленности и лабораторной практике применяют электролизёры различных типов и конструкций (например, открытые и герметически закрытые, для периодической и непрерывной работы, с неподвижными и движущимися электродами, с различными системами разделения продуктов электролиза).

Применяют электролизёры с диафрагмой — пористой перегородкой или мембраной, отделяющей катодное пространство от анодного, проницаемой для ионов, но затрудняющей механическое смешение и диффузию. Для изготовления диафрагм используются асбест, полимерные материалы и керамика, находят применения электролизёры с ионообменными мембранами.

Для изготовления анодов применяют графит, углеграфитовые материалы, платину, окислы некоторых металлов, свинец и его сплавы; используются малоизнашивающиеся титановые аноды с активным покрытием из смеси окислов рутения и титана, а также платины и её сплавов. Для катодов в большинстве электролизёров используется сталь. Применяются также электролизёры с жидкими электродами (например, в одном из методов производства хлора и гидроокиси натрия в качестве катода используют ртуть).

Материалы для изготовления электролизёров выбираются с учётом агрессивности электролита и продуктов электролиза, температуры и других условий. Широко применяется сталь, в том числе с различными защитными покрытиями, пластические массы, стекло и стеклопластики, керамика.

3.2 Электролизеры для получения смеси кислорода и водорода

Электролизер для получения смеси кислорода и водорода (Патент RU 2010039). Электролизер предназначен для получения газовой смеси кислорода и водорода, используемой для питания горелок в устройствах для сварки, пайки и резки металлов.

Работает электролизер следующим образом(рис. 3.2.1 – 3.2.2). Через штуцер заливают электролит - водный раствор едкого калия. Электролит проходит через отверстия с переточными патрубками и перфорации в диафрагмах , заполняя электролизные ячейки и камеру с поплавком . При достижении заданного уровня клапан приводом от поплавка закрывает отверстие в штуцере . Взамен израсходованного раствора едкого калия в подпитывающий сосуд заливают воду для подпитки и подпитывающий сосуд закрывают. При пропускании постоянного электрического тока через электролизер происходит выделение газов на электродах . В электролизных ячейках с перфорированными диафрагмами происходит разделение газов. Водород из катодных частей ячеек через вырезы поступает в канал и в подпитывающую поплавковую камеру, куда поступает и гремучий газ через отверстия . Смесь газов выходит через штуцер , проходит через подпитывающий сосуд над поверхностью воды и далее через гидрозатвор и осушитель в горелку. Кислород из анодных частей электролизных ячеек проходит через вырезы в канал и кислородную поплавковую камеру с поплавком . Если давление кислорода станет больше давления газовой смеси, то уровень электролита в анодных частях ячеек и кислородной поплавковой камере снизится и поплавок опустится, открывая клапаном отверстие в штуцере . Выходящий кислород проходит через шланг с сопловой насадкой и может быть использован для кислородной резки металла.

Рис. 3.2.1. Общий вид электролизера для получения кислородно-водородной смеси (вид 1).

По мере расхода воды общий уровень электролита снижается, поплавок опускается и клапан открывает отверстие в штуцере , через который поступает подпитывающая вода, восстанавливая уровень электролита. Благодаря отверстиям с переточными патрубками происходит выравнивание состава электролита за счет естественной конвекции, обусловленной разной плотностью электролита различного состава.

Рис. 3.2.2. Общий вид электролизера для получения кислородно-водородной смеси (вид 2).

Горелка (патент РФ № 2278327). Обработка поверхности материалов сжатой дугой косвенного действия (плазменной струей).

Функционирует горелка следующим образом (рис. 3.2.3). Через патрубок подают жидкое рабочее тело, пропитывая влаговпитывающий материал в резервуаре и заполняя им каналы, сообщающие резервуар с разрядной камерой, до появления капли жидкого рабочего тела из сквозного отверстия насадки . Патрубок закрывают пробкой . Включают независимый источник электрического тока и подают напряжение на стержневой электрод относительно насадки . Нажатием кнопки сообщают возвратно-поступательное перемещение стержневому электроду и кратковременно приближают торец стержневого электрода к насадке вплоть до положения взаимного контакта, затем отпускают кнопку , и возвратная пружина отводит стержневой электрод от насадки в исходное положение, создавая зазор, позволяющий жидкому рабочему телу протекать через сквозное отверстие насадки . При разрыве электрического контакта стержневого электрода и насадки между ними возбуждается электрическая дуга. Энергия, выделяемая на насадке , при протекании электрического тока через дугу разогревает ее, и тепло через трубчатый электрод передается жидкому рабочему телу. Жидкое рабочее тело превращается в пар, используемый в качестве плазмообразующей среды, создавая избыточное давление, под действием которого пар проходит по каналам, сообщающим резервуар с разрядной камерой, сжимает столб электрической дуги и выходит через сквозное отверстие насадки с образованием плазменной струи.

Рис. 3.2.3. Общий вид горелки.

Влаговпитывающий материал обеспечивает равномерную подпитку жидким рабочим телом участка испарителя нагревательного элемента и соответственно равномерное во времени испарение жидкого рабочего тела. Оптимальный зазор между стержневым электродом и насадкой выставляют путем вращения (навинчивая или отвинчивая) ходовой гайки , перемещая при этом ползун , связанный с электрододержателем . Для изменения электрически мощности, выделяемой в электрической дуге, изменяют выходной ток источника электрического тока.

Жидкостный затвор для электролизно-водного генератора (патент РФ №2474624). Предохранительный затвор (рис. 3.2.4), предотвращающий попадание взрывной волны в электролизер генератора при обратном ударе пламени, является обязательным элементом конструкции электролизно-водного генератора.

Рис. 3.2.4. Общий вид жидкостного затвора.

При работе электролизно-водного генератора водородно-кислородная смесь через патрубок поступает в объем , проходит через патрубки и в объем , из него - по трубке в объем и через щтуцер уходит на потребление. Таким образом, газ в этом затворе проходит над водой, а не через воду. Поэтому унос воды нулевой. При обратном ударе взрывная волна через штуцер проходит в объем , давление в объеме резко возрастает, выдавливая воду в патрубок , и за время пока взрывная волна по трубке дойдет до объема , уровень воды в патрубке поднимется выше торца патрубка , отсекая взрывную волну от электролизера. Полость при обратном ударе задерживает воду, выброшенную из патрубка .

В журнале «Модалист-конструктор» за год, была представлена установка для получения водородно-кислородной смеси (рис.3.2.5).

Рис. 3.2.5. Общий вид установки для получения водородно-кислородной смеси.

Между двумя платами, соединенными четырьмя шпильками, размещена батарея стальных пластин-электродов, разделенных резиновыми кольцами. Внутренняя полость батареи наполовину заполнена водным раствором или . Приложенное к пластинам постоянное напряжение вызывает электролиз воды и выделение газообразного водорода и кислорода. Эта смесь отводится через надетую на штуцер полихлорвиниловую трубку в промежуточную емкость, а из нее в водяной затвор. Газ, прошедший через помещенную там смесь воды с ацетоном в соотношении , имеет необходимый для горения состав и, отведенный другой трубкой в форсунку — иглу от медицинского шприца, сгорает у ее выходного отверстия с температурой около .

В установку входят:

- изолирующая полихлорвиниловая трубка;

- шпилька;

- гайка с шайбой;

- левая плата;

- пробка-болт с шайбой;

- пластина;

- резиновое кольцо;

- штуцер;

- шайба;

- полихлорвиниловая трубка;

- правая плата;

- короткий штуцер;

- промежуточная емкость;

- основание;

- клеммы;

- барботажная трубка;

- форсунка-игла;

- корпус водяного затвора.