CC BY
281
Феоктистов Николай Алексеевич Первый проректор НОУ ВПО ИГУПИТ
Кокорин Владимир Васильевич, Варламов Игорь Владимирович НОУ ВПО ИГУПИТ E-mail: [email protected]
Методика расчета и проектирования кислородно-водородных сварочных
станций малой мощности до 1 квт
Аннотация: На базе физико - энергетических процессов при электролизе предлагается методика расчета и проектирования кислородно-водородных сварочных станций малой мощности с использованием микропроцессорных систем управления и реализацией выходного каскада на полевых КМОП транзисторах, что нетрадиционно для данных систем.
Ключевые слова: КМОП, кислородно - водородные, сварка.
The Abstract: Basing themselves on physics-energetics processes in electrolysis, the authors put forward a technique of calculation and design of oxygen - hydrogen welding stations of low power using microprocessor control systems and realizing a target cascade on field CMOS transistors, which is nonconventional for such systems.
Keywords: CMOS, oxygen - hydrogen, welding.
I. Физико-энергетические процессы при электролизе
Процесс разложения воды на водород и кислород считается хорошо изученным и давно применяется на практике [1 - 3]. Большое распространение получили щелочные электролизеры [3], работающие при напряжении 2,2 - 2,4 В. Процесс электролиза в основном стараются усовершенствовать в сторону увеличения к.п.д. процесса и установок [4]. Следует отметить, что исследования процессов разложения воды имеют длительную историю и в настоящее время установлены ряд фундаментальных характеристик механизма функционирования электролизеров, а также инженерных методик расчета этих устройств:
- минимальное напряжение для разложения воды (1,23 В) [3],
- реакции на электродах [1],
- составляющие напряжения на электролитической ячейке [3],
- и многое другое.
Известно, что для начала выделения газов требуется определенная величина напряжения на ячейке. Возможно, по этой причине процессы в электролитических ячейках при напряжениях ниже напряжения начала выделения газов практически не рассматривались. Известно, что даже при этих напряжениях через ячейку также протекает остаточный ток [3].
На основе закона Фарадея следует, что для получения одного моля водорода с молекулами Н2 необходимо пропустить через раствор Q=193000 кулонов (К) электричества. Энергия, которую можно получить, соединив этот водород с кислородом в исходную воду, составляет W=286 кДж. По энергетическому балансу минимальное напряжение разложения воды определяется из соотношения:
U min= W/Q= 286*103/193*103 = 1,48 В
Отметим, что в растворе щелочи нет отдельных ионов водорода и кислорода, для которых существует величина 1,23 В а есть ионы НзО+ и ОН- [3 ].
В процессе борьбы за высокий к.п.д. электролиза воды специалисты стали использовать весьма дорогостоящие материалы, а также увеличивали давление и рабочую температуру
электролита, и довели ее до 9000 С [4]. Однако для многих случаев практического использования повышенные температуры и давления неудобно. Кроме того, это требует дополнительной энергии для поддержания этих температурных режимов в рабочей зоне электролизеров.
2
Современные электролизеры работают с плотностями тока в 1000 и более А/м , поэтому на эти режимы нет необходимости обращать внимание. Практически все электролизеры имеют аноды и катоды одинаковой площади. Экспериментально установлено, что для стальных
2
электродов минимальная плотность тока составляет около 10 А/м .
Определение вольтамперных характеристик имеющихся в наличии никелевых ячеек специальной формы от концентрации электролита проводилось при комнатной температуре и обычном атмосферном давлении с дискретизацией напряжения на ячейки от 1,3 до 2,2 В. Экспериментальные исследования проводились на электролизере состоящим из 14 электролитических ячеек с объемом электролита 0,4 литра и с изменяемой концентрацией электролита от 10% до 30% с раствором №ОН и никелевыми электродами. Схема электропитания электролизера обеспечивала возможность плавного изменения напряжения в пределах от 5 - 30 В. Электролизер является нелинейным элементом и очень чувствительным к изменениям значения приложенного напряжения. Из проведенных измерений следует, что выделения кислородно-водородной смеси можно регулировать как изменением напряжения (тока), так и плотностью электролита.
В заключение отметим, что раствор электролита - очень сложное вещество, в особенностях которого еще следует разбираться.
Из литературы и эксперимента можно сделать выводы:
1. Получение водорода из воды возможно при затратах электроэнергии вдвое меньше, чем энергия получаемая в результате сжигания водорода.
2. Разложение воды можно проводить с к.п.д. 80% при комнатной температуре.
2
3. Для образования газов необходима минимальная плотность тока в 10 А/м .
4. Реально управлять выходной мощностью можно отслеживая процессы, происходящие в электролизере с помощью микроконтроллера.
II. Возможные варианты маломощных станций
1. С применением регулируемой горелки.
2. С применением нерегулируемой горелки.
3. Со встроенным AC/DC преобразователем.
4. С внешним источником питания для использования установки в качестве электрической сварки.
III. Электронное управление установкой
Блок электронного управления кислородно-водородной установки малой мощности приведен на рис 1.
AC.-DC
ШИМ
й-iu Ы±1 с!-, it-
ТУ
КМОП
Выходной , Электролизер
Каскад
Датчики г. Микр опр о цессор Выход на индикатор и монитор
тг
Az
Вентиляторы
Регулятор
мощности
Рис.1. Блок схема установки
IV. Принцип работы системы
Работа системы очень зависит от концентрации щелочи. По графику определяем рабочий диапазон токов и напряжений функционирования системы от начала электролиза до резкого увеличения тока. Первоначальная концентрация равна 25 % KOH. При работе расходуется дистиллированная вода, и при ее использовании концентрация щелочи увеличивается, при этом увеличивается ток. Микропроцессор отслеживает этот процесс, и изменение тока держит пламя все время на установленном уровне (мощность постоянная при сварке.) Когда ток превысит некий порог, который, связан с критическим уменьшением дистиллированной воды, процессор отключит систему и даст сигнализацию для добавки воды.
В такой системе, возможно, запрограммировать режимы сварки и в указанном временном интервале, процессор сам будет отслеживать сварку.
Для наглядности возможно подключение монитора. Хорошие индикаторы превосходят стоимость мониторов, а также возможно использовать для данных целей старые, которые просто утилизируются.
V. Элементная база
1. - AC/DC преобразователь. Побирается в зависимости от мощности проектируемого аппарата. Примером может служить , PFE500F-48 или PFE700S-48 (или аналоги других фирм) для проектирования мощностью 500 Вт. Все они имеют встроенный корректор мощности. Входное напряжение 85-265 В, это позволит использовать сварочный аппарат в сетях с просадкой электропитания, например - сельская местность.
2. - микропроцессорная система управления в данных вариантах возможна, как и на ПЛИСах, PIC процессорах и т. д. Эта система управления на мощность проектируемого аппарата не зависит. Что может способствовать созданию универсальной платы для различных мощностей.
3. - Индикатор MT16S2D.
4. - КМОП транзисторы напряжением до 120 В. И током до 15 А в зависимости от мощности.
Примером может служить IRCZ44 для мощности 500 Вт или аналоги.
5. Все остальные элементы универсальные для любой мощности.
6. Монитор любой имеющий VGA вход. Подключение монитора дает более объемную информацию о функционировании.
Себестоимость изделия от 300 Вт до 500 Вт реально мало чем отличается. После 500 Вт цена возрастает в связи с применением нестандартных малосерийных элементов. Оптимальный вариант 500 Вт. Для серийного производства рентабельнее создание своего источника питания.
VI. Методика проектирования электролизера
Промышленные электролизеры, применяемые для получения водорода и кислорода обычно выполняются стационарными с биполярным включением электродов, количество которых выбирают из расчета трансформаторного или бестрансформаторного включения в сеть. Как известно, при разных уровнях электролита и разной температуре вольтамперная характеристика электролизера сильно отличается.
Если по результатам эксперимента с известным числом пластин № получены вольтамперные характеристики электролизера при максимальном уровне электролита и его максимальной температуре, то можно получить уравнение линейных участков этой характеристики:
иэ = ио+Яэ 1э,
где Rэ - электрическое сопротивление электролизера, 1э - ток через электролизер.
Вольтамперная характеристика одной ячейки:
+ * I э.
Амплитуда максимального напряжения сети при колебаниях ± 10%
Число пластин электролизера:
Исходя из максимально допустимого тока через электролизер 1э < I эдоп определяется число пластин электролизера. Величины 1эдоп, истах позволяют обосновано выбрать полупроводниковые и коммутационные элементы системы электропитания и управления электролизно-водного генератора.
Площадь реакторной части электродов (пластин) электролизера:
2
где jэ - плотность тока электролизера (~ 0,3 А/см ).
Производительность генератора:
где q - электрохимический эквивалент воды равная
(0,627— )
Последнее соотношение позволяет произвести расчет производительности для известных конструкций и допустимому току.
ЛИТЕРАТУРА
1. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М.: Высшая школа, 1984. - 520 с.
2. Багоцкий В.С. Основы электрохимии. М.: Химия, 1988. - 400 с.
3. Якименко Л.М. и др. Электролиз воды. М.: Химия, 1970.- 263 с.
4. Морозов Ю.В. и др. Электролизеры с твердым полимерным электролитом для
разложения воды// Журнал депонированных рукописей. 2002, № 9. http://www4/mte/ru
/www/toim.nsf/
5. Прикладная электрохимия /под ред. проф. Федотьева Н.П. Л.: Гос. НТИ химической литературы, 1962. - 639с.
6. Корж В.Е, Дыхно СЛ. Обработка металлов водородно-кислородным пламенем. -Киев, Техника, 1984. С. 20 - 128 .
7. Варламов И. В., Феоктистов Н. А. Проблемы улучшения технологии и безопасности при выполнении сварочно-паяльных работ и охрану окружающей среды // Охрана окружающей среды на предприятиях бытового обслуживания. Сб. науч. труд. - М: ГАСБУ, 1993. С. 45 - 60.
8. Варламов И. В., Феоктистов Н. А., Теодорович Н. Н. Электролизно-водные генераторы кислородно-водородной смеси в технологии пайки сварки// Теоретические и прикладные проблемы сервиса. 2001. № 1. С. 10-224.
9. Феоктистов Н. А. и др. Электролизно-водные генераторы с управлением от микро-ЭВМ// Естественные и технические науки. 2009. N 6. С. 567-570.
