Рисунок 1. Иллюстрация к описанию.
Зачем нужна безопасность при электролизе?
Продолжаем рассматривать конструкцию компактного стационарного электролизера для домашней лаборатории. Независимо от производительности реактора, в результате разложения воды мы всегда получаем смесь газов — водорода и кислорода. Эта смесь является стехиометрической, то есть газы находятся в идеальных пропорциях для обратной реакции (горения) и тщательно перемешаны. Достаточно поднести источник огня. Такая смесь известна под названием «гремучий газ». Он обладает чрезвычайно высокой скоростью горения и огромной взрывной энергией. Гремучий газ редко образуется в природе, и при его использовании высок риск возникновения обратной вспышки пламени.
Практичный электролизер включает в себя не только реактор, но и ряд вспомогательных устройств. Они обеспечивают удобство эксплуатации, очистку газа и, что самое важное, безопасность. Взрыв любого элемента системы опасен, но самый серьезный риск — это взрыв внутри самого реактора. Его конструкция, как правило, менее прочная, и он заполнен горячим концентрированным щелочным раствором. Попадание такого раствора на кожу опасно, а для глаз представляет двойную угрозу. Поэтому при работе обязательна защита глаз, как минимум, специальными очками.
Проблема разделения газов и решение
Идеальным решением было бы разделять газы непосредственно в реакторе. Это сделало бы систему и практичнее, и значительно безопаснее. Однако реакторы такого типа конструктивно сложнее, требуют специальных мембран и доступа к станкам для их изготовления.
Существуют различные барьеры для предотвращения распространения пламени по шлангам, но многие из них неэффективны против быстрогорящей смеси и должны быть изготовлены из материалов, устойчивых к щелочи. Надежным, хотя и несколько громоздким, защитным устройством является водяной затвор (гидрозатвор). Принцип его работы прост: газ пропускается через слой жидкости (обычно воды), который надежно отсекает возможную вспышку пламени.
Рис. 2. Принципиальная схема подключения устройств в составе практичного электролизера.
На схеме обозначены: 1 — реактор, 2 — блок питания, 3 — выносной бак для электролита с фильтром-сепаратором пены и щелочи, 4 — питатель, 5 — реле давления, 6 — рассматриваемый гидрозатвор, 7 — бензиновые пузырьковые промыватели, 8 — осушитель газа, 9 — тонкий фильтр с сухой щелочью.
Схема показывает расположение гидрозатвора — он находится перед реактором, если рассматривать путь возможного обратного хода пламени.
Конструктивные нюансы и усовершенствование
Здесь важно учесть один существенный момент: в процессе работы реактор нагревается. После отключения он остывает, что создает внутри разрежение (вакуум). При использовании простых пузырьковых конструкций (как на рис. 2, поз. 6, 7) это может привести к затягиванию рабочих жидкостей из соседних устройств обратно в шланги. Вода может попасть в реактор и загрязнить электролит, а бензин — проникнуть в систему. Предотвратить это можно, отсоединяя шланги после каждого сеанса работы, но это неудобно.
Более эффективное решение — использование специальной конструкции, лишенной этого недостатка и одинаково хорошо работающей в обоих направлениях. В химической практике подобные устройства известны как «склянки Тищенко».
Рис. 3. Схема устройства «склянки Тищенко» и принцип ее работы в разных режимах.
На практике удобнее и надежнее выполнить перегородку в цилиндрическом сосуде в виде коаксиально вставленной трубки меньшего диаметра.
Выбор материалов и требования к прочности
Материалы. Концентрированный щелочной раствор в реакторе исключает использование меди и алюминиевых сплавов. Устойчивы к нему никель и специальные марки нержавеющей стали. Обычная черная сталь также показывает удовлетворительную стойкость. Хотя затвор работает с водой, щелочь в виде пены все же может попадать в него и накапливаться.
Прочность. Гремучий газ — вещество взрывоопасное, а сосуды затвора заполнены жидкостью лишь частично. Остальной объем занимает газ. Разрыв такого сосуда, конечно, не так опасен, как взрыв реактора с горячей щелочью, но крайне неприятен. Опыт показывает, что баллон от углекислотного огнетушителя хорошо выдерживает подобные нагрузки; баллоны для сжиженного пропана имеют схожую прочность, хотя их форма менее удобна. Для изготовления был выбран 5-литровый баллон от углекислотного (не порошкового!) огнетушителя. Материал — черная сталь, все соединения сварные.
Что потребуется для изготовления
Помимо материалов, необходим стандартный набор слесарного и электроинструмента. В работе использовались сверлильный станок, небольшая угловая шлифовальная машина (болгарка), сварочный инвертор с оснасткой, а также малярные и вспомогательные материалы.
Ход работы по созданию водяного затвора
В нашем распоряжении оказалось несколько списанных, но еще заряженных углекислотных огнетушителей. Один из них даже успешно потушил начавшийся пожар у соседа, защитив деревянную дачу — предмет законной гордости. Обрабатывать пустой баллон удобнее всего на токарном станке, но автор справился с помощью болгарки и диска диаметром 125 мм.
Фото 4. Разметка верхней части баллона.
Фото 5. Резка баллона. Удалось со второго раза, с первого прорезать толстую литую стенку не получилось.
Фото 6. Отпиленная крышка, вид сверху. Виден неудавшийся первый рез. Стоит отметить, что баллон стальной, и для простейшего пузырькового затвора (как на рис. 2) работы было бы минимум — достаточно приварить дополнительные штуцеры.
Фото 7. Подготовка внутренней перегородки (трубы). Использована стандартная труба диаметром 70 мм. Объемы внутри трубы и в кольцевом зазоре между трубами получились примерно равными.
На фото показана разметка для ровного отреза. Для обеспечения перпендикулярности использован лист бумаги, обернутый вокруг трубы (подошел формат А4). Края листа должны точно совпасть, после чего по этому краю наносится линия мелом.
Фото 8. Нижний край внутренней камеры должен иметь зазор с дном основного цилиндра. При сборке это удобно проверять щупом. На фото — разметка под прорези («зубья»). Линия нанесена мелом по шаблону, точки керном, тонкие линии — сантехническим карандашом.
Фото 9. Прорези («зубья») нарезаны с помощью болгарки.
Фото 10. Края отверстия пришлось слегка доработать полукруглым напильником.
Фото 11. Заготовка для внутренней камеры. Она вставлена до упора, зафиксирована в нескольких точках и аккуратно обварена по шву.
Для сварки использованы электроды ОК-46 (ESAB, Тюмень) диаметром 3 мм. Герметичный шов достигается без особых трудностей.
Фото 12. Выступающая часть трубы срезана заподлицо с краем цилиндра. Подозрительный участок шва вырезан, переварен и зачищен.
Фото 13. Подготовленная к сборке верхняя часть (крышка). К очищенной горловине приварена прищепка для крепления («заточка»). Отверстие диаметром 10 мм под впускной штуцер просверлено на сверлильном станке, а сама деталь зафиксирована в горловине с помощью газового ключа.
Фото 14. Собранный сосуд. Неудавшийся первый рез также заварен. Швы слегка зачищены болгаркой. Сбоку видно дополнительное отверстие для второго кронштейна под приваренную трубу сепаратора.
Фото 15. Импровизированное точение штуцера на сверлильном станке.
Заготовка — стальной пруток. На том же станке, зажав сверло неподвижно и вращая заготовку, в ней было просверлено осевое отверстие диаметром 3 мм. При точении станок работал на высоких оборотах (~3000 об/мин), использовалась болгарка. После шлифовального диска неровности были обработаны наждачной бумагой, под которую подложен кусок толстого фетра.
Фото 16. Пара готовых самодельных стальных штуцеров.
Фото 17. Гидрозатвор с приваренной самодельной арматурой.
Брызги от сварки и неровности по возможности зачищены. Тем же шлифовальным кругом удалена заводская краска с баллона вместе с наклейками. Устройство практически готово, но пользоваться им неудобно — оно тяжелое, гладкое и массивное. Нужна ручка!
Фото 18. Сборно-сварная ручка. Изготовлена из обрезков металла и арматуры так, чтобы не выходить за габариты цилиндра. Двойная верхняя часть удобнее для переноски, а входящий шланг можно пропустить в зазор, чтобы он не перегибался на штуцере.
Рисунок 19. Готовое устройство.
Литература и источники
Самодельный стационарный электролизер малой мощности для домашней мастерской. Автореферат.
Бабай Мазай, октябрь 2022 г.
[моё]Поделки с процессом Своими руками ХоббиЭлектролизёрЭлектролизСамоделки Длинный пост 6 Поддержка ЭмоцииБольше интересных статей здесь: Гаджеты.
Источник статьи: Электролизер. Водяной затвор.