Генератор водорода для системы отопления: собираем действующую установку своими руками

Краткая теоретическая часть

Водород, он же hydrogen, – первый элемент таблицы Менделеева – представляет собой легчайшее газообразное вещество, обладающее высокой химической активностью. При окислении (то бишь, горении) выделяет огромное количество теплоты, образуя обычную воду. Охарактеризуем свойства элемента, оформив их в виде тезисов:

1. Горение водорода – процесс экологически чистый, никаких вредных веществ не выделяется.
2. Благодаря химической активности газ в свободном виде на Земле не встречается. Зато в составе воды его запасы неиссякаемы.
3. Элемент добывается в промышленном производстве химическим способом, например, в процессе газификации (пиролиза) каменного угля. Зачастую является побочным продуктом.
4. Другой способ получения газообразного водорода – электролиз воды в присутствии катализаторов – платины и прочих дорогих сплавов.
5. Простая смесь газов hydrogen + oxygen (кислород) взрывается от малейшей искры, моментально высвобождая большое количество энергии.

Раньше водородом наполняли баллоны дирижаблей, которые нередко взрывались

Из вышесказанного напрашивается следующий вывод: 2 атома водорода легко соединяются с 1 атомом кислорода, а вот расстаются весьма неохотно. Химическая реакция окисления протекает с прямым выделением тепловой энергии в соответствии с формулой:

2H₂ + O₂ → 2H₂O + Q (энергия)

Здесь кроется важный момент, который пригодится нам в дальнейшем разборе полетов: hydrogen вступает в реакцию самопроизвольно от возгорания, а теплота выделяется напрямую. Чтобы разделить молекулу воды, энергию придется затратить:

2H₂O → 2H₂ + O₂ — Q

Это формула электролитической реакции, характеризующая процесс расщепления воды путем подведения электричества. Как это реализовать на практике и сделать генератор водорода своими руками, рассмотрим далее.

Описание и принцип работы водородного генератора

Есть несколько методик выделения водорода и из других веществ, перечислим наиболее распространенные:

1. Электролиз, данная методика наиболее простая и может быть реализована в домашних условиях. Через водный раствор, содержащий соль, пропускается постоянный электрический ток, под его воздействием происходит реакция, которую можно описать следующим уравнением: 2NaCl + 2H2O→2NaOH + Cl2 + H2↑. В данном случае пример приведен для раствора обычной кухонной соли, что не лучший вариант, поскольку выделяющийся хлор является ядовитым веществом. Заметим, что полученный данным способом водород наиболее чистый (порядка 99,9%).
2. Путем пропускания водяного пара над каменноугольным коксом, нагретым до температуры 1000°С, при таких условиях протекает следующая реакция: Н2О + С ⇔ СО↑ + H2↑.
3. Добыча из метана путем конверсии с водяным паром (необходимое условие для реакции – температура 1000°С): СН4 + Н2О ⇔ СО + 3Н2. Второй вариант – окисление метана: 2СН4 + О2 ⇔ 2СО + 4Н2.
4. В процессе крекинга (переработки нефти) водород выделяется в качестве побочного продукта. Заметим, что в нашей стране все еще практикуется сжигание этого вещества на некоторых нефтеперерабатывающих заводах ввиду отсутствия необходимого оборудования или достаточного спроса.

Из перечисленных вариантов последний наименее затратный, а первый наиболее доступный, именно он положен в основу большинства генераторов водорода, в том числе и бытовых. Их принцип действия заключается в том, что в процессе пропускания тока через раствор, положительный электрод притягивает отрицательные ионы, а электрод с противоположным зарядом – положительные, в результате происходит расщепление вещества.

Пример электролиза на растворе хлорида натрия

3 Критерии выбора и особенности эксплуатации

Выбирая водородный котел для дома, стоит убедиться, что все его детали выполнены из качественных материалов

Также очень важно, чтобы блок защиты котла был проверенным (сертифицированным) и соответствовал всем требованиям безопасности. Кроме того, нужно подобрать модель, подходящую для отопления конкретного помещения:

• мощность должна соответствовать не только площади помещения, но и требованиям используемой системы отопления;
• размеры камеры должны соответствовать количеству теплообменников, необходимых для отопления;
• мощность электропотребления устройства должна соответствовать имеющейся в здании электросети.

Установив подобное устройство, не стоит забывать о технике безопасности, поскольку топливо является взрывоопасным. Основные правила эксплуатации направлены именно на то, чтобы избежать контакта кислорода с воздухом (что и может привести к взрыву).

Основные эксплуатационные правила:

1. 1. Регулярно проверять температурные показатели на датчиках теплообменников. Температура не должна подниматься выше допустимой нормы.
2. 2. Следить за показателями давления газа. При их повышении принимать меры по стабилизации нормативного давления.
3. 3. Не эксплуатировать устройство в непредусмотренных производителем режимах.
4. 4. Следить за подачей воды.
5. 5. Периодически заменять электролизер.
6. 6. Позаботится о стабилизированной подаче электроэнергии.

Когда стоит установить водородный генератор?

Для каждого потребителя огромное значение имеют особые эксплуатационные качества и свойства современного прибора отопления. Заводские установки, а также все виды водородных котлов отопления своими руками, между собой отличаются по показателям эффективности.

Существует несколько иных надежных схем, которые помогают эффективно провести сбор и установку оборудования своими руками. Чтобы общая расчетная мощность не сильно отличалась от фактической, чтобы не был снижен показатель КПД, организацию водородного качественного отопления стоит делать посредством применения надежных котлов, а также генераторов строго заводского исполнения.

Осуществить установку генератора стоит в случае, если достигаются цели, связанные со значительной экономией. Современные отопительные приборы такого плана в состоянии обеспечить следующие преимущества:

1. Это идеальная возможность иметь в распоряжении ничем не ограниченные топливные запасы, так как для заправки котла нужна самая простая вода.
2. В процессе эксплуатации устройства необходимо небольшое количество потребленной энергии. Чтобы установка, мощность которой равна примерно 27 кВт, бесперебойно работала, достаточно просто обеспечить определенный максимальный объем используемого электричества – это 0,3 кВт в час.
3. Установить оборудование нужно в том случае, если требуется обеспечить максимально экологичную обстановку. Работа устройства характеризуется полным отсутствием угарных причиняющий вред человеку газов. В процессе сгорания водородно-кислородной смеси, в атмосферу выделяется относительно небольшой объем водяного пара.

Профессионалы отлично понимают, что в процессе работы водородного генератора, предназначенного для отопления, газ, полученный в оборудовании такого плана, может быть отнесен к категории гремучих. Он отличается полным отсутствием неприятного запаха и цвета. Газ совершенно безвреден, его присутствие невозможно определить даже специальными устройствами.

Если генератор приобретается в готовом виде, стоит поинтересоваться о присутствии у него котла или особого теплообменного прибора. Оно обязательно должно быть рассчитано на влияние высокого температурного режима.

Как обустроить в доме водяное отопление

Большое количество преимуществ, присущих водородным котлам отопления и генераторам, будет способствовать росту конкуренции всем традиционным системам отопления. Многих собственников частных домов привлекает низкая стоимость оборудования, а также высокая производительности.

Делаем простейший генератор водорода своими руками пошагово

Расскажем, как можно сделать самодельный генератор для получения смеси водорода и кислорода (ННО). Его мощности на отопления дома не хватит, но для газовой горелки для резки металла количество полученного газа будет достаточным.

Рис. 8. Схема газовой горелки

Обозначения:

• а – сопло горелки;
• b – трубки;
• c – водные затворы;
• d – вода;
• е – электроды;
• f – герметичный корпус.

В первую очередь делаем электролизер, для этого нам понадобится герметичная емкость и электроды. В качестве последних используем стальные пластины (их размер выбираем произвольно, в зависимости от желаемой производительности), прикрепленные к диэлектрическому основанию. Соединяем между собой все пластины каждого из электродов.

Когда электроды готовы их надо укрепить в емкости таким образом, чтобы места подключения проводов питания были выше предполагаемого уровня воды. Провода от электродов идут к блоку питания на 12 вольт или автомобильному аккумулятору.

В крышке емкости делаем отверстие под трубку для выхода газа. В качестве водных затворов можно использовать обычные стеклянные банки емкостью 1 литр. Заполняем их на 2/3 водой и подключаем к электролизеру и горелке, как показано на рисунке 8.

Горелку лучше взять готовую, поскольку не каждый материал может выдержать температуру горения газа Брауна. Подключаем ее к выходу последнего водного затвора.

https://youtube.com/watch?v=_EgY9XtGZmM

Наполняем электролизер водой, в которую добавлена обычная кухонная соль.

Подаем напряжение на электроды и проверяем работу устройства.

Генератор промышленного изготовления

На уровне промышленного производства технологии изготовления водородных генераторов бытового назначения постепенно осваиваются и развиваются. Как правило, выпускаются энергетические станции домашнего применения, мощность которых не превышает 1 кВт.

Такой аппарат рассчитан на выработку водородного топлива в режиме постоянного функционирования не более чем в течение 8 часов. Главное их предназначение – энергоснабжение отопительных систем.

Также разрабатываются и производятся установки под эксплуатацию в составе кондоминиумов. Это уже более мощные конструкции (5-7 кВт), назначение которых не только энергетика отопительных систем, но также выработка электричества. Такой комбинированный вариант быстро набирает популярность в западных странах и в Японии.

Комбинированные водородные генераторы характеризуются как системы с высоким КПД и небольшим выбросом углекислого газа.

Пример реально действующей промышленно изготовленной станции мощностью до 5 кВт. Подобные установки в перспективе планируется делать под оснащение коттеджей и кондоминиумов

Российская промышленность тоже начала заниматься этим перспективным видом добычи топлива. В частности, «Норильский никель» осваивает технологии производства водородных установок, в том числе бытовых.

Планируется использовать самые разные типы топливных элементов в процессе разработки и производства:

• протонно-обменные мембранные;
• ортофосфорно-кислотные;
• протонно-обменные метанольные;
• щелочные;
• твердотельные оксидные.

Между тем процесс электролиза является обратимым. Этот факт говорит о том, что есть возможность получать уже нагретую воду без сжигания водорода.

Кажется, это очередная идея, ухватившись за которую можно запускать новый виток страстей, связанных с бесплатной добычей топлива для домашнего котла.

Конструкция водородного генератора

Для постройки генераторов водорода своими руками обычно берут в качестве основы классическую схему установки Брауна. Такой электролизёр средней мощности состоит из группы ячеек, каждая из которых содержит группу пластинчатых электродов. Мощность установки определяется общей площадью поверхности пластинчатых электродов.

Ячейки помещаются внутрь ёмкости, хорошо изолированной от внешней среды. На корпус резервуара выводятся патрубки для подключения водяной магистрали, вывода водорода, а также контактная панель подключения электричества.

Аппарат генерации водорода, спроектированный по схеме Брауна. По всем расчётам эта установка вполне должна обеспечить домашнее хозяйство теплом и светом. Другой вопрос – какие габариты и мощности позволят это сделать (+)

Схема генератора Брауна, кроме всего прочего, предусматривает наличие водяного затвора и обратного клапана. За счёт этих элементов организуется защита установки от обратного хода водорода. По такой схеме теоретически не исключается сборка водородной установки, к примеру, для организации отопления загородного дома.

https://youtube.com/watch?v=OkgM-gWF4eU

Что необходимо для изготовления топливной ячейки дома

Создание водородного агрегата дома – задача не из легких. Нужно вооружиться не только рядом инструментов, но и соответствующими знаниями, а также схемами.

Проектирование водородного генератора: схемы и чертежи

Устройство состоит из реактора с установленными электродами, ШИМ-генератора для питания, водяного затвора, проводов и шлангов, соединяющих конструкцию. На сегодняшний день известны несколько схем электролизеров, где в качестве электродов применяются пластины или трубки.

Также популярностью пользуются аппараты сухого электролиза. В отличие от классического варианта, в этом агрегате не пластины помещаются в ёмкость с жидкостью, а сама вода направляется в щель между плоскими электродами.

Смотрите это видео на YouTube

Выбор материалов для строительства генератора водорода

Для изготовления генератора дома не нужны никакие особенные и необычные инструменты. Вот что потребуется подготовить:

• ножовку для работы с металлическими изделиями;
• дрель и сверла к ней;
• комплект гаечных ключей;
• плоская и шлицевая отвертки;
• угловая шлифмашина («болгарка») с кругом для резки металла;
• мультиметр и расходомер;
• линейка;
• маркер.

Смотрите это видео на YouTube

Техника безопасности и особенности эксплуатации

Отопительный котел на водороде нужно правильно эксплуатировать.

В ходе его использования придерживайтесь следующих правил:

• Нельзя самостоятельно модернизировать и переделывать водородное нагревательное оборудование. Это повышает вероятность утечки водорода. При его взаимодействии с воздухом создается взрывоопасная ситуация.
• Установите внутри теплообменника датчики температуры. Это позволит контролировать степень нагрева воды. Периодически проверяйте температуру, не допускайте перегревания теплоносителя.
• Не эксплуатируйте отопительное оборудование в режимах и условиях, которые не предусмотрены производителем. Это может привести к нежелательной цепной реакции.
• На горелочное устройство установите запорную арматуру и подключите ее к температурному датчику. Это позволит при необходимости обеспечивать охлаждение котла.
• Если давление газа в камере сгорания критически повышается, то нужно выяснить причину такого повышения, принять меры для стабилизации работы.
• Следите за подачей воды, периодически меняйте электролитный раствор.

КРЕПЕЖ

Крепежные элементы также нужно делать из нержавейки. Необходимо обеспечить максимальное прилегание всех деталей, чтобы избежать образования искр. Помните: водородный генератор — источник горючего газа!

В описываемом варианте сборки система состоит из 16 пластин. Дистанция между ними составляет примерно по 1 миллиметру между каждой. Значительная площадь поверхности, толщина пластин и крепеж дают возможность пропуска больших токов, избегая резистивного нагрева нержавеющей стали. При измерении в среде воздуха, общая емкость электродов — 1nF. Подобный подбор электродов может использовать в обычной воде до 25 ампер.

Как собрать генератор водорода собственноручно?

Зачастую котел, работающий на водороде, используется для обогрева полов. Эти системы в наше время встречаются самой разной мощности. Мощность котлов бывает самая разная, начиная от 27Вт и до бесконечности. Можно взять один очень мощный котел для обогрева сразу всего дома, а можно несколько небольших. Устанавливаются они своими силами, но, как сделать водородный генератор своими руками?

Прежде чем начать сооружать топливную ячейку необходимо иметь под руками следующие инструменты:

• ножовку по металлу;
• дрель с набором свёрл;
• набор гаечных ключей;
• плоская и шлицевая отвёртки;
• угловая шлифмашина («болгарка») с установленным кругом для резки металла;
• мультиметр и расходомер;
• линейка;
• маркер.

Более того, если вы решите самостоятельно заниматься сооружением ШИМ-генератора, то для его настройки понадобятся осциллограф и частотомер.

Для того чтобы изготовить водородный генератор для отопления частного дома рассмотрим абсолютно «сухую» схему электролизера с применением электродов из пластин нержавеющей стали.

Представленная ниже инструкция показывает процесс конструирования водородного генератора:

Сооружение корпуса топливной ячейки. Роль боковых стенок каркаса играют пластины оргалита или оргстекла, нарезанные по размеру будущего генератора. Стоит заметить, что он размеров агрегата напрямую зависит его производительность, но и затраты на получение ННО будут намного выше. Для сооружения топливной ячейки оптимальными являются габариты от 150×150 мм до 250×250 мм.
В каждой из платин сверлятся отверстия под входной и выходной штуцера для воды. Кроме этого, необходимо сверление в боковой стенке для выхода газа и четыре отверстия по углам для того чтобы соединить элементы реактора между собой.
С помощью болгарки из листа нержавейки марки 316L, вырезают пластины электродов. Они по размеру должны быть меньше стенок на 10-20 мм. Более того, при изготовлении каждой детали, в одном из углов необходимо оставлять небольшую контактную площадку. Это необходимо для того чтобы соединить отрицательные и положительные электроды в группы перед их подключением к питанию.
Для получения необходимого количества ННО, нержавейку необходимо обработать мелкой наждачной бумагой с двух сторон.
В каждой пластине сверлятся два отверстия: сверлом чей диаметр должен быть 6-7 мм – для подачи в пространство между электродами воды и диаметром 8-10 мм – для отвода газа Брауна. Точки сверления рассчитывают с учетом мест монтажа соответствующих подводящих и выходного патрубков.
Приступают к сборке генератора. Для этого в оргалитовые стенки монтируют штуцеры служащие для подачи воды и отбора газа. Места их присоединений тщательнейшим образом герметизируют автомобильным или сантехническим герметиком.
После этого одну из прозрачных корпусных деталей устанавливают на шпильки, после этого укладывают электроды. Укладка электродов должна начинаться с уплотнительного кольца
Обратите внимание: плоскость электродов должна быть абсолютно ровной, в противном случае элементы с разноименными зарядами будут касаться, что вызовет короткое замыкание!
Пластины нержавейки отделяют от боковых поверхностей реактора с помощью уплотнительных колец, изготовленных из силикона, паронита или других материалов

Важно чтобы он был не толще 1 мм
Подобные детали используют как дистанционные прокладки между пластинами. В процессе укладки следят, чтобы контактные площадки разноименных электродов были сгруппированы по разные стороны генератора.
После того как уложена последняя пластина устанавливают уплотнительное кольцо, после чего генератор закрывается второй оргалитовой стенкой, а саму конструкцию соединяют с помощью гаек и шайб

Делая эту работу, внимательно следите за равномерностью затяжки и отсутствием перекосов между пластинами.
С помощью полиэтиленовых шлангов генератор подключается к емкости с водой и бабблеру.
Контактные площадки электродов соединяются между собой любым методом, после чего к ним подводят провода питания.
На топливную ячейку подается напряжение от ШИМ-генератора, после чего приступают к настройке и регулировке аппарата по максимальному выходу газа ННО.

Для того чтобы получить газ Брауна в необходимом количестве которое будет достаточным для приготовления пищи и отопления, устанавливают несколько генераторов водорода которые работают параллельно.

Технологии получения чистого водорода

Существует множество технологий получения водорода. Упомянем лишь те из них, которые находят практическое применение вне стен лабораторий:

• Химическая реакция воды с металлами. Топливом служит вода, реагентом — алюминиево-галлиевый сплав. 150 кг топливных элементов хватает, чтобы проехать 500 км на «водородомобиле», затем металл приходится извлекать и отправлять на восстановление, что требует воздействия высоких температур.
• Конверсия природного газа, газификация угля, пиролиз древесины. Путём нагрева свыше 1000 ºС из углеводородов можно получить чистый водород для отопления дома.
• Электролиз воды. Более эффективным является высокотемпературный электролиз.
• Получение водорода из биомассы. Сырьём может служить навоз, сено, трава, водоросли и другие отходы сельскохозяйственного производства. Биогаз может содержать от 2 до 12% водорода.
• «Мусорный» водород получают из бытовых отходов, подвергая их термическому разложению.

МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ

Получаемый в ходе реакции газ — смесь двух частей водорода и одной части кислорода — крайне взрывоопасная смесь. Поэтому необходимо придерживаться ряда обязательных мер безопасности:

• нельзя использовать пластиковые баки, так как в случае детонации смести, такой бак разорвет;
• необходимо избегать скопления газа — весь его объем должен немедленно расходоваться.
• нельзя выводить газ за пределы дома;
• аппарат не должен находиться в подвальном помещении;
• в комнате не должно быть непроветриваемых мест в подпотолочной области;
• все соединения должны быть полностью герметичными (проверить мыльным раствором);
• при нарушении герметичности есть риск попадания щелочи в глаза или кожу, поэтому нужно использовать очки и защищающую тело одежду.

Создать водородный генератор не так уж сложно. Однако риски, в случае его неправильного изготовления слишком высоки. Поэтому стоит очень хорошо изучить технологические детали, а также продумать план действий и вопросы безопасности, прежде чем браться за создание водородного оборудования. опубликовано econet.ru

Присоединяйтесь к нам в Facebook , , Одноклассниках

Генератор промышленного изготовления

На уровне промышленного производства технологии изготовления водородных генераторов бытового назначения постепенно осваиваются и развиваются. Как правило, выпускаются энергетические станции домашнего применения, мощность которых не превышает 1 кВт.

Такой аппарат рассчитан на выработку водородного топлива в режиме постоянного функционирования не более чем в течение 8 часов. Главное их предназначение – энергоснабжение отопительных систем.

Также разрабатываются и производятся установки под эксплуатацию в составе кондоминиумов. Это уже более мощные конструкции (5-7 кВт), назначение которых не только энергетика отопительных систем, но также выработка электричества. Такой комбинированный вариант быстро набирает популярность в западных странах и в Японии.

Пример реально действующей промышленно изготовленной станции мощностью до 5 кВт. Подобные установки в перспективе планируется делать под оснащение коттеджей и кондоминиумов

Российская промышленность тоже начала заниматься этим перспективным видом добычи топлива. В частности, «Норильский никель» осваивает технологии производства водородных установок, в том числе бытовых.

Планируется использовать самые разные типы топливных элементов в процессе разработки и производства:

• протонно-обменные мембранные;
• ортофосфорно-кислотные;
• протонно-обменные метанольные;
• щелочные;
• твердотельные оксидные.

Между тем процесс электролиза является обратимым. Этот факт говорит о том, что есть возможность получать уже нагретую воду без сжигания водорода.

Кажется, это очередная идея, ухватившись за которую можно запускать новый виток страстей, связанных с бесплатной добычей топлива для домашнего котла.

В заключение

Не имеет значения, для какой цели домашнему мастеру потребовался водород. Возможно, всё делалось исключительно в экспериментальных целях. Но факт налицо – устройство для генерации водорода можно собрать своими руками в домашних условиях. Возможно, такое умение будет бесполезным, однако создание чего-то нового с целью познания уже повод заняться подобной работой.

Надеемся, что сегодняшняя информация, даже если она не пригодится, будет интересна нашему уважаемому читателю. Только, пожалуйста, при производстве подобных работ, не забывайте о технике безопасности и средствах индивидуальной защиты.

Если у вас остались вопросы по генератору водорода, задавайте их в обсуждениях ниже. Редакция Homius постарается на них ответить как можно быстрее. Там же можно прокомментировать прочитанное, выразить личное мнение о подобном аппарате. И если вам статья понравилась, не забудьте поставить оценку.

Берегите себя, своих близких и будьте здоровы!

Предыдущая ИСТОРИИДолой ручной труд: самодельная перосъёмная машина
Следующая ИСТОРИИУвеличение количества помещений: как разделить комнату на два жилых помещения