Способ получения водорода с помощью термической диссоциации воды или низкотемпературных диссоциирующих веществ, содержащих в составе водород, с применением микроволнового излучения
Изобретение относится к способу получения водорода с помощью термической диссоциации воды или низкотемпературных диссоциирующих веществ, содержащих в составе водород. Способ реализуют путем нагрева воды и/или водяного газа или указанных низкотемпературных диссоциирующих веществ до температуры свыше 2000 °С с применением микроволнового излучения. При этом нагрев осуществляют при помощи запасенного ранее водорода, содержащегося в отдельном баллоне, а окончательную диссоциацию воды и/или водяного газа или низкотемпературного диссоциирующего вещества производят в камерах диссоциации с выходом полученного водорода через отверстие в верхней части камеры и его дальнейшим распределением. Технический результат заключается в непрерывном выделении водорода. 3 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 пр.
Изобретение относится к способам получения из воды или схожей по составу и характеристикам жидкости составляющих элементов, одним из которых является водород.
Из уровня техники известен патент RU 2515477, описывающий способ получения водорода из водородсодержащего газа.
Отличия заявленного решения состоят в том, что способ получения водорода основан на получении водорода из воды путем распада ее молекул на составляющие.
Известен патент RU 2142905, описывающий способ получения водорода путем нагрева водяного газа и пропускания его через электрическое поле высокого напряжения.
Отличия заявленного решения состоят в том, что способ получения водорода не требует наличия высоких напряжений, что позволяет сделать устройство более мобильным.
Известен патент RU 2013151106, описывающий получение водорода путем воздействия высокочастотного электромагнитного поля.
Отличия заявленного решения состоят в том, что:
- волновые поля являются вспомогательным элементом, усиливающим диссоциацию воды и водяной жидкости, вне зависимости от величины создаваемого или не создаваемого электромагнитного поля;
- получение водорода происходит из водяного газа, а не из воды;
- основа способа - это нагрев водяного газа до температуры диссоциации;
- к волновым излучателям не представляется дополнительных требований по направленности излучения;
- может использоваться нечетное количество излучателей, один и более.
Известен патент RU 2520490, описывающий получение водорода путем химической реакции водного окисления металлосодержащего вещества с водой с выделением водорода.
Отличия заявленного решения состоят в том, что:
- используется термический способ получения водорода;
- применяется не вода, а водяной газ, получаемый из водяной жидкости;
- отсутствует необходимость применения металлов, углеродов и других элементов, которые со временем потребуют замены.
Известен патент RU 2372277, описывающий способ получения чистого водорода из углеводородов (газ, нефть).
Отличия заявленного решения состоят в том, что:
- используется вода или водяная жидкость, возобновляемый источник энергии;
- применяется термический нагрев до температуры диссоциации.
Известен патент GR 20100100401, описывающий двигатель, который путем своей работы и создания завихрений позволяет производить диссоциацию воды на водород и кислород.
Отличия заявленного решения состоят в том, что:
- отсутствует большое число подвижных частей;
- завихрения газа не являются допустимыми, напротив, газ при диссоциации должен находиться в наиболее спокойном положении;
- помимо нагрева применяется также и волновое воздействие.
Наиболее близким решением является патент СА 2301219, описывающий получение водорода путем нагрева воды до температуры диссоциации и создания центробежной силы, которая должна ускорить диссоциацию.
Отличия заявленного решения состоят в том, что:
- отсутствует большое число подвижных частей;
- завихрения газа не являются допустимыми, напротив, газ при диссоциации должен находиться в наиболее спокойном положении;
- помимо нагрева применяется также и волновое воздействие.
Как известно, водяной газ способен распадаться (диссоциировать) на составляющие при достижении определенной температуры. При этом процент молекул, которые распались на составляющие, остается достаточно малым. Так, при 2000-2500 градусах Цельсия процент диссоциирующих молекул может колебаться от 10 до 20%, что недостаточно для использования нагрева для получения водорода для использования в механизмах. А повышение температуры предъявляет требования к материалам изготовления устройств диссоциации.
Представляемый способ получения водорода учитывает нагрев воды или другого вещества со схожими свойствами и составом до температуры диссоциации и ускорение диссоциации при помощи адиабатического (с повышением температуры) сжатия газа и применения волнового излучения (микроволны и другие виды излучения), что ускоряет процесс диссоциации и увеличивает процент диссоциированных молекул. При этом на молекулярном уровне волновое излучение призвано разорвать внутримолекулярные связи атомов.
Технический результат заявленного изобретения состоит в создании способа, который позволит непрерывно выделять водород из воды и других подобных веществ путем нагрева и облучения микроволнами различной частоты и разработке устройства на основе этого способа.
Технический результат достигается за счет использования нагрева воды при помощи водородного пламени, поддержания заданной температуры и использования волновых излучателей.
Частными случаями изготовления устройства являются:
- Изготовление устройства без системы адиабатического сжатия;
- Изготовление устройства без волновых излучателей;
- Установка одного и более волновых излучателей на одну камеру диссоциации;
- Применение других устройств нагрева.
Краткое описание чертежей:
Фиг. 1 - вид на устройство спереди;
Фиг. 2 - вид на устройство сбоку, указание уточняющих рисунков;
Фиг. 2А - нагреватель вещества, вид сбоку;
Фиг. 2Б - камеры диссоциации, вид сбоку;
Фиг. 2В - система адиабатического сжатия газа, вид сбоку;
Фиг. 3 - камеры диссоциации и система адиабатического сжатия, вид сзади;
Фиг. 4 - система возврата поршней в изначальное состояние;
Фиг. 5 - схема работы способа.
Способ получения водорода с помощью термической диссоциации воды и других веществ, обладающих похожими характеристиками, с применением волнового излучения включает устройство, которое состоит из:
1. Камера нагрева.
2. Жаровой столб.
3. Камера диссоциации.
4. Волновые излучатели.
5. Система подачи и вывода водорода (схематично).
6. Отверстия выхода жара.
7. Клапана-распределители водорода (схематично).
7.1 Клапана-блокировщики водорода (схематично).
8. Баллон-накопитель.
9. Нагреваемое блюдце.
10. 1. Форсунки нагрева (начальные, схематично).
10.2. Форсунка нагрева (дополнительная, схематично).
11. Форсунка подачи вещества (схематично).
12. Змеевик паровой.
13. Распределитель водяного газа.
14. Клапан распределителя.
15. Распределитель жара.
16. Выходы кислорода.
17. Выходы остатков водяного газа и отработанных веществ.
18. Поршень системы адиабатического сжатия.
19. Поршневая пружина (пружина сжатия).
20. Шток поршня (с нанесенными зубцами).
21. Шестерня системы возврата поршня.
22. Мотор шестерни.
23. Держатель пружин.
24. Система выдвижения стопоров.
25. Стопор.
26. Поршневой палец.
Схема (фиг. 5):
27. Зона нагрева.
28. Зона догрева водяного газа.
Осуществление способа получения водорода на примере устройства строится следующим образом.
При запуске устройства водород из баллона-накопителя (8) через клапан-распределитель (7) подается к форсункам нагрева (10.1), находящимся в нижней части камеры нагрева (1).
При этом к форсунке нагрева (10.1) может также подводиться воздух или кислород в зависимости от модификации устройства. Также в форсунке может происходить воспламенение газовой смеси.
Пламя водорода от форсунок нагрева (10.1) подогревает нагреваемое блюдце (9). Температура пламени водорода может достигать более 2000-3000 градусов.
Когда температура внутри камеры нагрева (1) достигнет максимальной (предположительно на несколько сотен градусов ниже, чем температура горения водорода), то через форсунку подачи вещества (11) подается вода или другое вещество со схожими свойствами и составом.
Когда вода попадает в камеру нагрева (1), то происходит ускоренное парообразование и переход воды в состояние водяного газа, который, поднимаясь к верхней части камеры нагрева (1), попадает в змеевик паровой (12).
Змеевик предназначен для затормаживания движения газа вверх. При этом змеевик (12) располагается внутри жарового столба (2), по которому жар от горения водорода поднимается в верхнем направлении. Также в жаровом столбе (2) может располагаться форсунка нагрева (10.2), предназначенная для усиления нагрева водяного газа в змеевике (12), поскольку испарение воды и образование газа могут происходить настолько быстро, что газ просто не достигнет необходимой температуры либо потеряет часть температуры при движении по конструкции.
После змеевика (12) водяной газ попадает в распределитель (13), в котором установлен клапан распределителя (14). А жар, проходящий по жаровому столбу (2), попадает в распределитель (15). Распределители в данном случае предназначены для распределения водяного газа и жара между камерами диссоциации (3).
Камеры диссоциации (3) имеют двойные стенки. Так, водяной газ в максимально разогретом состоянии поступает в центральную часть камеры диссоциации, а жар от горения водорода поступает в пространство между стенок, не давая газу охлаждаться и поддерживая заданную температуру.
На внешней части камер диссоциации (3) установлены волновые излучатели (4). При достаточно высокой температуре начинается процесс распада молекул на атомы. Волновые излучатели (4) включаются, когда водяной газ начинает поступать в камеру диссоциации (3), ускоряя процесс распада молекул.
Когда водяной газ максимально заполнит камеру диссоциации (3), включается система адиабатического сжатия (при ее наличии) для увеличения давления газа и повышения его температуры. Эта система устанавливается во внутреннюю часть камеры диссоциации либо имеет непосредственную связь с внутренней частью.
Для срабатывания системы адиабатического сжатия необходимо, чтобы стопор (25) вышел из зацепления со штоком (20) поршня (18). При этом поршневая пружина (19) резко передвигает поршень (18) вверх. А поршень (18) в свою очередь создает внутри камеры диссоциации (3) повышенное давление.
При этом должно исключаться постоянное внешнее воздействие на водяной газ (за исключением системы сжатия, действующей однократно при ее наличии), поскольку различные вещества имеют различный вес и энергию. Предполагается, что благодаря различности характеристик различных веществ при максимальной температуре и проводимой диссоциации вещества произойдет распределение веществ по слоям:
- водород, как наиболее легкий элемент, приблизится к верхней точке камеры диссоциации (3);
- кислород, более тяжелый, чем водород, займет промежуточное положение;
- водяной газ займет нижнее положение.
Причем в зависимости от используемого вещества (кроме воды) распределение по слоям может незначительно меняться.
Также на камерах диссоциации (3) предусмотрены отверстия для выхода водорода в верхней части, кислорода (16), отработавшего водяного газа (17) и использованного жара (6).
После выработки водорода поршень возвращается в изначальное положение путем передвижения штока (20) поршня шестерней (21), которая установлена на мотор (22), и последующего зацепления штока (20) стопором (25). При этом мотор (22) совместно с шестерней (21) способен передвигаться вдоль паза от одного штока к другому в случае, если их количество превышает один.
На фиг. 5 представлена схема работы способа получения водорода.
В зону нагрева (27) поступает жидкость, нагреваемая до температуры около 2000-2500 градусов. Испаряясь, жидкость в виде газа поступает в зону догрева (28), после чего переходит в камеру диссоциации (29), где достигается температура около 3500 градусов и производится облучение радиоволнами различной длины и частоты при помощи волнового излучателя (30). Выработанный таким образом водород поступает в клапан-распределитель (31), где и распределяется между потребителями.
Особенности конструкции:
1. Как известно, вода замерзает уже при достижении минусовой температуры. По этой причине предполагается, что для использования в описываемом способе могут быть использованы другие низкотемпературные вещества, имеющие в составе водород и обладающие характеристиками, которые позволят проводить их диссоциацию при описанном выше устройстве. Кроме того, подобные вещества могут иметь дополнительные присадки, увеличивающие эффективность работы устройства.
2. Наибольшее количество водорода, идущего к форсункам нагрева, будет тратиться при запуске устройства, поскольку необходимо прогреть камеру нагрева до максимальной температуры. В дальнейшем затраты водорода уменьшатся, поскольку необходимо будет лишь поддерживать температуру.
3. Предполагается, что вырабатываемый водород сможет обеспечить подогрев устройства и работу внешних потребителей. Кроме того, поскольку работа внешних потребителей может быть неравномерна (пример: двигатель внутреннего сгорания, который затрачивает наибольшее количество топлива при разгоне), то в конструкции предусматривается баллон-накопитель. Баллон-накопитель предназначен для запуска устройства за счет применения накопленного водорода, поддержания работы внешних потребителей, когда вырабатываемого водорода недостаточно, и накопления водорода, когда происходит его выработка с переизбытком.
4. В связи с работой устройства в условиях больших температур необходимо создание устройства из термопрочных материалов. В качестве такого материала может быть рассмотрена керамика, перспективные материалы или любые другие отвечающие условиям работы. Условие для использования материала - выдерживание нагрузки увеличения давления при срабатывании системы адиабатического сжатия.
5. В ряде случаев система может содержать одну камеру диссоциации, один поршень и т.д. Но благодаря количеству камер диссоциации более одной достигается стабильность работы системы, т.е. пока одна камера диссоциации заполняется водяным газом, во второй уже вырабатывается водород. Затем они меняются.
6. Система адиабатического сжатия может быть схожа с описанной либо иметь другие элементы и форму элементов. Основная идея данной системы - сжать водяной газ для повышения температуры.
7. При температуре диссоциации молекулы находятся в нестабильном состоянии, что позволяет увеличить скорость диссоциации при помощи волнового излучения. При этом может использоваться как один излучатель на одну камеру диссоциации, так и более. При этом их характеристики могут абсолютно различаться, что позволит максимально дестабилизировать атомные связи в молекулах.
8. Ряд элементов в описанном выше способе и устройстве должен иметь собственные системы охлаждения, не оказывающие критического влияния на температуру водяного газа.
9. Клапан распределителя (14) может не иметь внешнего привода при наличии системы адиабатического сжатия, поскольку увеличение давления в одной из камер диссоциации автоматически будет давить на клапан и перекрывать дальнейший доступ водяного газа.
10. Предполагается, что камера диссоциации будет герметична в первые секунды работы, когда разделение молекул на атомы только начало происходить. Это необходимо для препятствования попадания элементов в не те выходы. Также, в первые секунды после перекрытия всех клапанов происходит самоуспокаивание водяного газа, при котором прекращается его движение в том или ином направлении.
11. Диссоциация является обратимым процессом, и атомы могут соединиться в молекулы при понижении температуры. Для того чтобы этого не произошло, необходимо полученные элементы отобрать по отдельности из камер диссоциации до понижения температуры.
12. Описанные способ и устройство водородоотделителя для его осуществления являются достаточно мобильными. В зависимости от размеров используемых элементов можно добиться как использования данного способа в автомобилях, так и производства водорода в промышленных масштабах.
Решению описанных ранее задач способствует достижение высоких температур и излучение, воздействующее на молекулы вещества.
1. Способ получения водорода с помощью термической диссоциации воды или низкотемпературных диссоциирующих веществ, содержащих в составе водород, включающий нагрев воды и/или водяного газа или указанных низкотемпературных диссоциирующих веществ до температуры свыше 2000 °С и применение микроволнового излучения, отличающийся тем, что нагрев осуществляют при помощи запасенного ранее водорода, содержащегося в отдельном баллоне, а окончательную диссоциацию воды и/или водяного газа или низкотемпературного диссоциирующего вещества производят в камерах диссоциации с выходом полученного водорода через отверстие в верхней части камеры и его дальнейшим распределением.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что может быть использована система адиабатического сжатия водяного газа.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество камер диссоциации составляет одну и более.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждая камера диссоциации содержит один и более микроволновых излучателей.
