MGD etkisinin enerji potansiyeli. Oksijen ve hidrojen üretme yöntemi Bir manyetik alanda elektroliz sırasında elektrolitin soğutulması

Doğa bizim için sayısız elektrik hazırladı. Bunun büyük bir kısmı dünya okyanuslarında yoğunlaşmıştır. Dünya Okyanusunda büyük enerji rezervleri gizlidir. Şimdiye kadar, insanlar bu enerjinin sadece çok küçük bir kısmını nasıl kullanacaklarını biliyorlar ve o zaman bile büyük ve yavaş yavaş geri ödeyen sermaye yatırımları pahasına, bu yüzden bu tür bir enerji hala umut verici görünmüyordu. Bununla birlikte, kullanımı önemli çevre kirliliği ile de ilişkili olan fosil yakıtların devam eden çok hızlı tükenmesi, bilim insanlarını ve mühendisleri, örneğin Dünya Okyanusunda enerji gibi zararsız enerji kaynakları arayışına giderek daha fazla dikkat etmeye zorlamaktadır. Okyanus birkaç farklı enerji türünü barındırır: gelgit enerjisi, okyanus akıntıları, termal enerji vb. Ek olarak, deniz suyu doğal bir elektrolittir ve 1 litrede sayısız farklı iyon içerir, örneğin, pozitif sodyum iyonları ve negatif iyonlar klor. Beklenti cazip hale geliyor - böyle bir cihazı doğal bir sonsuz doğal deniz akıntısı akışına koymak ve sonuç olarak deniz suyundan ucuz elektrik alıp kıyıya aktarmak. Bu tür cihazlardan biri, manyetohidrodinamik etkiyi kullanan bir jeneratör olabilir. Bu oldu Araştırma konusu: “Manyetohidrodinamik etkinin enerji yetenekleri”.

çalışmanın amacı manyetohidrodinamik etkiyi kullanmanın bir tanımı, gösterimi ve olasılığıdır. Araştırmanın amacı, yüklü parçacıkların manyetik bir alanda hareketidir. Çalışma konusu: manyetohidrodinamik etki, manyetohidrodinamik jeneratör.

Bu amaca ulaşmak için aşağıdakiler çözüldü görevler:
1. Eğitimsel, bilimsel, popüler bilim bilgi kaynaklarının tarihsel ve mantıksal bir analizini yapın.
2. Manyetohidrodinamik etkinin ne olduğunu açıklayan fiziksel yasaları, ilkeleri ortaya çıkarın.
3. MHD etkisini bir enerji kaynağı olarak kullanma olanaklarının ortaya çıkarılması.
4. Manyetohidrodinamik etkiyi gösteren bir model yapın.

Atanan görevlerin en etkili çözümü için aşağıdakiler kullanıldı Araştırma Yöntemleri: bilgi kaynaklarının incelenmesi, analiz, genelleme yöntemi, deney.

TEORİK BÖLÜM

manyetohidrodinamik etki- elektriksel olarak iletken bir sıvı veya iyonize gaz bir manyetik alanda hareket ettiğinde bir elektrik alanı ve elektrik akımının görünümü. Manyetohidrodinamik etki, elektromanyetik indüksiyon olgusuna, yani bir iletkende manyetik alanın kuvvet çizgilerini geçen bir akımın oluşmasına dayanır. Bu durumda iletkenler elektrolitler, sıvı metaller veya iyonize gazlardır (plazma). Manyetik alan boyunca hareket ederken, içlerinde zıt işaretli yük taşıyıcılarının zıt yönlü akışları ortaya çıkar. Manyetohidrodinamik etki temelinde, cihazlar yaratılmıştır - termal enerjinin elektrik enerjisine doğrudan dönüştürülmesi için cihazlar olan manyetohidrodinamik jeneratörler (MHD jeneratörleri).

MHD üreteciÇalışan akışkanın (elektrolit, sıvı metal veya plazma) termal enerjisinin doğrudan elektrik enerjisine dönüştürüldüğü bir enerji santralidir. 1832'de Michael Faraday, Thames Nehri'ne indirilen elektrotlar arasındaki EMF'yi tespit etmeye çalıştı (Dünya'nın manyetik alanında hareket eden nehir suyu akışında çözünmüş tuz iyonları var), ancak ölçüm cihazlarının hassasiyeti, ölçüm yapmak için çok düşüktü. EMF'yi tespit edin. Ve 1970'lerde ve 1980'lerde, plazma (iyonize gaz akışı) kullanılarak endüstriyel MHD jeneratörlerinin yaratılmasına büyük umutlar bağlandı, sayısız geliştirme yapıldı, deneysel MHD jeneratörleri inşa edildi, ancak her şey yavaş yavaş öldü.

MHD jeneratörlerinin çalışma prensibi, Dvigatel dergisinin sayılarından birinde yeterince ayrıntılı olarak açıklanmıştır.
Bir yandan MHD jeneratörleri çok geniş bir uygulama alanına sahiptir, diğer yandan çok yaygın değildir. Bu sorunu anlamaya çalışalım. İlgili literatürü inceledikten sonra, MHD jeneratörlerinin avantaj ve dezavantajlarının bir listesini derledik.

MHD jeneratörlerinin avantajları

* Çok büyük olmayan bir kurulum için birkaç megawatt'a kadar çok yüksek güç
* Döner parça kullanmaz, bu nedenle sürtünme kaybı olmaz.
* Dikkate alınan jeneratörler hacimsel makinelerdir - içlerinde hacimsel işlemler gerçekleşir. Hacimdeki artışla birlikte istenmeyen yüzey işlemlerinin (kirlilik, kaçak akımlar) rolü azalır. Aynı zamanda, hacimdeki artış ve onunla birlikte jeneratörün gücü pratik olarak sınırsızdır (ve 2 GW ve daha fazlası), bu da tek ünitelerin kapasitesinin büyüme eğilimine karşılık gelir.
* Daha yüksek verimlilikte MHD jeneratörleri, genellikle egzoz gazlarında bulunan zararlı maddelerin emisyonunu önemli ölçüde azaltır.
* Elektrik enerjisi üretimi için MHD jeneratörlerinin kullanımının teknik gelişiminde büyük başarı, bir manyetohidrodinamik aşamanın bir kazan ünitesi ile kombinasyonu sayesinde elde edildi. Bu durumda, jeneratörden geçen sıcak gazlar boruya atılmaz, ancak önüne MHD aşamasının yerleştirildiği TPP'nin buhar jeneratörlerini ısıtır. Bu tür santrallerin genel verimliliği eşi görülmemiş bir değere ulaşıyor - %65
* Yüksek manevra kabiliyeti

MHD jeneratörlerinin dezavantajları

* Süper ısıya dayanıklı malzemeler kullanma ihtiyacı. Erime tehdidi. Sıcaklık 2000 - 3000 K. Kimyasal olarak aktif ve sıcak rüzgar 1000 - 2000 m/s hıza sahiptir.
* Jeneratör sadece doğru akım üretir. DC'yi AC'ye dönüştürmek için verimli bir elektrik invertörünün oluşturulması.
* Açık çevrim MHD jeneratöründeki ortam, yakıtın yanmasının kimyasal olarak aktif ürünleridir. Kapalı çevrim bir MHD jeneratöründe - kimyasal olarak aktif olmayan asal gazlar olmasına rağmen, ancak kimyasal olarak aktif bir safsızlık (sezyum)
* Çalışma sıvısı, elektromotor kuvvetinin ortaya çıktığı MHD kanalına girer. Kanal üç tipte olabilir. Elektrotların güvenilirliği ve dayanıklılığı tüm kanallar için ortak bir sorundur. Birkaç bin derecelik bir ortam sıcaklığında elektrotlar çok kısa ömürlüdür.
* Üretilen gücün manyetik indüksiyonun karesi ile orantılı olmasına rağmen, endüstriyel tesisler, deneysel olanlardan çok daha güçlü olan çok güçlü manyetik sistemler gerektirir.
* 2000 ° C'nin altındaki bir gaz sıcaklığında, içinde o kadar az serbest elektron kalır ki artık bir jeneratörde kullanım için uygun değildir. Isıyı boşa harcamamak için gaz akışı ısı eşanjörlerinden geçirilir. İçlerinde ısı suya aktarılır ve ortaya çıkan buhar bir buhar türbinine beslenir.
* Şu anda en çok çalışılan ve geliştirilen plazma MHD jeneratörleri. Çalışma ortamı olarak deniz suyunu kullanan MHD jeneratörleri hakkında hiçbir bilgi bulunamadı.

Bu liste, hala üstesinden gelinmesi gereken bir takım sorunların olduğunu göstermektedir. Bu zorluklar birçok ustaca yolla çözülür.

Genel olarak bakıldığında, MHD jeneratörleri alanında kavramsal araştırma aşamasına geçildi. Geçen yüzyılın altmışlı yıllarında, temel teorik ve deneysel araştırmalar yapıldı, laboratuvar kurulumları oluşturuldu. Araştırma sonuçları ve birikmiş mühendislik deneyimi, 1965 yılında Rus bilim adamlarının doğal yakıtla çalışan karmaşık bir model enerji santrali "U-02" işletmesine izin verdi. Bir süre sonra, U-02 üzerindeki araştırma çalışmaları ile aynı anda gerçekleştirilen U-25 deneysel-endüstriyel MHD kurulumunun tasarımı başladı. Tasarım kapasitesi 25 MW olan bu ilk deneysel endüstriyel enerji santralinin başarılı bir şekilde devreye alınması 1971 yılında gerçekleşti.

Şu anda, Ryazanskaya GRES, yaklaşık 300 MW kapasiteli bir MHD jeneratörü ve K-300-240 türbinli 315 MW kapasiteli bir buhar türbini ünitesini içeren 500 MW'lık bir ana MHD güç ünitesi kullanıyor. 610 MW'ın üzerinde kurulu güce sahip MHD-güç ünitesinin sisteme çıkışı, MHD ünitesindeki yardımcı ihtiyaçlar için önemli enerji tüketimi nedeniyle 500 MW'tır. MHD-500'ün verimlilik faktörü %45'i aştığında, eşdeğer yakıtın özgül tüketimi yaklaşık 270 g/(kW – sa) olacaktır. Baş MHD-güç ünitesi doğal gaz kullanacak şekilde tasarlanmıştır, gelecekte katı yakıta geçilmesi planlanmaktadır. MHD jeneratörlerinin araştırma ve geliştirmesi ABD, Japonya, Hollanda, Hindistan ve diğer ülkelerde yaygın olarak kullanılmaktadır. ABD'de termik kapasitesi 50 MW olan pilot bir MHD kömür yakıtlı ünite işletmededir. Listelenen tüm MHD jeneratörleri, çalışma ortamı olarak plazma kullanır. Her ne kadar bize göre deniz suyu elektrolit olarak da kullanılabilir. Örnek olarak, MHD etkisini gösteren bir deney gerçekleştirdik. MHD jeneratörünün enerji yeteneklerini göstermek için MHD sürücüsünde bir tekne yapıldı.

PRATİK BÖLÜM

MHD etkisi aşağıdakiler kullanılarak gösterilebilir: malzeme seti:
1. Mıknatıs;
2. Tuz;
3. Biber;
4. Pil;
5. Bakır teller.

İlerlemek:
1. Sulu bir tuz çözeltisi hazırlayın ve biberi ekleyin. Bu, sıvı akışlarının hareketini görmek için gereklidir.
2. Hazırladığımız solüsyonun bulunduğu küçük bir kabı mıknatısın üzerine koyuyoruz.
3. Diğer uçlarla pilin kutuplarına bağlanan bakır telin uçlarını hazırlanan çözeltiye indiriyoruz (fotoğraf 1).
4. Bakır telin uçları arasındaki sıvı akışlarının hareketini gözlemleyin.

Tekne, elektrolitin manyetik alandaki hareketi nedeniyle hareket edecektir.
Böylece MHD elektriğin tüm zorluklara rağmen insanın hizmetine geleceği ve insanların okyanusun enerjisini sonuna kadar kullanmayı öğreneceği sonucuna varabiliriz. Sonuçta, bu sadece modern insanlık için gereklidir, çünkü bilim adamlarının hesaplamalarına göre, fosil yakıt rezervleri, Dünya gezegeninin yaşayan sakinlerinin önünde kelimenin tam anlamıyla tükeniyor!

Edebiyat

1. Volodin V., Khazanovskaya P. Enerji, yirmi birinci yüzyıl.- Moskova: Çocuk edebiyatı, 1989.- 142 s.
2.http: //ru.wikipedia.org/ - özgür ansiklopedi
3.http: //www.naukadv.ru - "Makinelerin fiziği" sitesi
4. Kasyan A. Bir plazma kasırganın gerilimi veya basitçe - MHD jeneratörü hakkında // Motor, 2005, No. 6
5. Magomedov A.M. Geleneksel olmayan yenilenebilir enerji kaynakları. - Mahaçkale: Yayıncılık ve Basım Derneği "Jüpiter", 1996
6. Ashkinazi L. MHD-jeneratör // Kvant, 1980, no. 11, s. 2–8
7. Kirillin V.A. Enerji. Ana problemler. - Moskova: Bilgi, 1990 - 128 s.
8.http: //how-make.ru - Kendin Yap sevenler için bir site.

İş tamamlandı:

Volodenok Anastasia Viktorovna, 10. sınıf öğrencisi

Süpervizör:

Filatova Nadezhda Olegovna, Ph.D., fizik öğretmeni

MOU Sibirya Lisesi
Tomsk

ALAMBİK-ALFA

Öz

Kinetik ve termal enerji kullanarak sudan hidrojen üretmek için temelde yeni bir yöntemin geliştirilmesinin altında yatan temel hükümlerin doğrulanması gösterilmiştir. Bir elektrohidrojen jeneratörünün (EHG) tasarımı geliştirilmiş ve test edilmiştir. 1500 rpm rotor hızında sülfürik asit elektrolit kullanımı ile yapılan testler sırasında, suyun elektrolizi ve hidrojen salınımı (hacimin %6 ... 8'i.) Çevrelerinden hava sızıntısı koşulları altında başladı.

Jeneratördeki merkezkaç kuvvetinin etkisi sırasında suyun oksijen ve hidrojene ayrışma sürecinin analizi gerçekleştirilir. Santrifüjlü bir jeneratörde suyun elektrolizinin, geleneksel elektrolizörlerde mevcut olanlardan önemli ölçüde farklı koşullar altında gerçekleştiği tespit edilmiştir:

Dönen elektrolitin yarıçapı boyunca hareket hızını ve basıncı arttırmak

EHG'nin özerk kullanım olasılığı, hidrojenin depolanması ve taşınması sorunları yaratmaz.

Tanıtım

Son 30 yılda suyu daha ucuz termal enerji kullanarak ayrıştırmak için termokimyasal döngüleri kullanma girişimleri teknik nedenlerle olumlu sonuçlar vermemiştir.

Yenilenebilir enerji kaynakları kullanarak sudan oldukça ucuz hidrojen elde etme ve sonraki işlemler sırasında (motorlarda yanarken veya yakıt hücrelerinde elektrik üretirken) çevre dostu atık olarak suyu tekrar elde etme teknolojisi imkansız bir hayal gibi görünüyordu, ancak santrifüjlü bir elektrohidrojen devreye girdi. Jeneratörü pratiğe dönüştürmek (EVG) gerçeğe dönüşecek.

EVG, kinetik ve termal enerji kullanarak sudan oksijen - hidrojen karışımının üretilmesi için tasarlanmıştır. Dönen tambura ısıtılmış bir elektrolit dökülür, burada dönüş sırasında, elektrokimyasal işlemin başlamasının bir sonucu olarak, su hidrojen ve oksijene ayrışır.

Santrifüj alanında suyun ayrışma sürecinin modeli

Dönen tambura ısıtılmış bir elektrolit dökülür, burada dönüş sırasında, elektrokimyasal işlemin başlamasının bir sonucu olarak, su hidrojen ve oksijene ayrışır. EVG, harici bir kaynağın kinetik enerjisini ve ısıtılmış bir elektrolitin termal enerjisini kullanarak suyu ayrıştırır.

İncirde. Şekil 1, asidik bir elektrolitte suyun elektrolizinin elektrokimyasal işlemi sırasında iyonların, su moleküllerinin, elektronların, hidrojen moleküllerinin ve oksijen gazlarının hareketinin bir diyagramını göstermektedir (iyonların moleküler ağırlığının, moleküllerin dağılımını etkilediği varsayılmaktadır. elektrolit hacmi). Suya sülfürik asit eklerken ve karıştırırken, hacimde tersinir ve düzgün bir iyon dağılımı meydana gelir:

Çözelti elektriksel olarak nötr kalır. İyonlar ve su molekülleri Brownian ve diğer hareketlerde yer alır. Rotorun merkezkaç kuvveti etkisi altında dönmesinin başlamasıyla, iyonların ve su moleküllerinin kütlelerine göre ayrılması gerçekleşir. Daha ağır iyonlar SO 4 2- (μ = 96 g / mol) ve su molekülleri H 2 O (μ = 18 g / mol) rotorun kenarına yönlendirilir. Kenarın yakınında iyonların birikmesi ve negatif dönen bir yükün oluşumu sürecinde bir manyetik alan oluşur. Daha hafif pozitif iyonlar Н 3 О + (μ = 19 g / mol) ve su molekülleri (μ = 18 g / mol), Arşimet kuvvetleri tarafından mile doğru yer değiştirir ve etrafında manyetik alanlarının oluştuğu dönen bir pozitif yük oluşturur. Bir manyetik alanın, rotor ve şaft yakınındaki yük alanına henüz dahil olmayan bitişik negatif ve pozitif iyonlar üzerinde bir kuvvet etkisi uyguladığı bilinmektedir. Bu iyonların etrafında oluşan manyetik alanın kuvvet etkisinin analizi, negatif yüklü iyonların SO 4 2- manyetik kuvvet tarafından janta bastırılır, üzerlerindeki merkezkaç kuvveti yoğunlaştırılır, bu da janttaki birikimlerinin aktivasyonuna yol açar.

Pozitif yüklü iyonlar üzerindeki manyetik alanın gücü H3O + şafta yer değiştirmelerinin aktivasyonuna yol açan Arşimet kuvvetinin etkisini arttırır.

Benzer yüklerin itme elektrostatik kuvvetleri ve farklı yüklerin çekimi, kenar ve şaftta iyonların birikmesini önler.

Şaftın yakınında, platin katodun sıfır potansiyelinde hidrojen indirgeme reaksiyonu başlar φ + = 0:

Bununla birlikte, oksijen indirgemesi, anot potansiyeli φ - = -1.228 V'a ulaşana kadar ertelenir. Bundan sonra, oksijen iyonunun elektronları platin anoda geçebilir (oksijen moleküllerinin oluşumu başlar):

Elektroliz başlar, elektronlar akım kablosundan akmaya başlar ve elektrolitten SO4 2- iyonları akmaya başlar.

Oluşan oksijen ve hidrojen gazları, Arşimet kuvveti tarafından şaftın yakınındaki alçak basınç bölgesine sıkıştırılır ve daha sonra şaftta açılan kanallardan dışarı atılır.

Kapalı bir devrede bir elektrik akımının sürdürülmesi ve bir dizi koşul altında oldukça verimli bir termokimyasal reaksiyon (1-4) süreci mümkündür.

Endotermik su ayrışma reaksiyonu, reaksiyon bölgesine sabit bir ısı kaynağı gerektirir.

Elektrokimyasal süreçlerin termodinamiğinden [2, 3] bir su molekülünün parçalanması için enerji sağlamanın gerekli olduğu bilinmektedir:

Fizikçiler, uzun süreli çalışmalara rağmen, normal koşullar altında bile suyun yapısının henüz deşifre edilmediğini kabul ediyorlar.

Mevcut teorik kimyanın deneyle ciddi çelişkileri vardır, ancak kimyacılar bu çelişkilerin nedenlerini araştırmaktan çekinirler, ortaya çıkan soruları görmezden gelirler. Onlara cevaplar, su molekülünün yapısının analizinin sonuçlarından elde edilebilir. Bu yapı, bilişinin mevcut aşamasında bu şekilde sunulur (bkz. Şekil 2).

Su molekülünün üç atomunun çekirdeğinin, tabanda hidrojen atomlarına ait iki proton ile bir ikizkenar üçgen oluşturduğuna inanılmaktadır (Şekil 3A), H-O eksenleri arasındaki açı α = 104.5 о'dir.

Su molekülünün yapısıyla ilgili bu bilgi, ortaya çıkan soruların cevaplarını almak ve tespit edilen çelişkileri ortadan kaldırmak için yeterli değildir. Bir su molekülündeki kimyasal bağların enerjilerinin analizinden çıkarlar, bu nedenle bu enerjiler yapısında temsil edilmelidir.

Su molekülünün yapısının mevcut fiziksel ve kimyasal kavramları ve moleküler hidrojen elde etmek için elektroliz süreci çerçevesinde, sorulan sorulara cevap bulmanın zor olması oldukça doğaldır, bu nedenle yazar şunları sunar: molekülün yapısının kendi modelleri.

Sonuçlarda verilen hesaplama ve deneylerin sonuçları, suyun elektrolizi sırasında ek enerji elde etme olasılığını göstermektedir, ancak bunun için bu olasılığın gerçekleşmesi için koşulların oluşturulması gerekmektedir.

EHG'deki suyun elektrolizinin, endüstriyel elektrolizörlerin çalışma koşullarından önemli ölçüde farklı (ve yeterince çalışılmamış) koşullar altında gerçekleştiğine dikkat edilmelidir. Jant yakınındaki basınç 2 MPa'ya yaklaşır, jantın çevresel hızı yaklaşık 150 m/s'dir, dönen duvardaki hız gradyanı yeterince büyüktür ve buna ek olarak elektrostatik ve yeterince güçlü manyetik alanlar etki etmektedir. Bu koşullar altında ΔH o, ΔG ve Q'nun hangi yönde değişeceği henüz bilinmiyor.

EEG elektrolitindeki elektromanyetik hidrodinamik sürecinin teorik açıklaması da zor bir problemdir.

Elektrolit hızlandırma aşamasında, Arşimet kuvvetinin merkezkaç ve yer değiştiren daha hafif bileşenlerinin etkisi altında iyonların ve nötr su moleküllerinin viskoz etkileşimi, oluşumu sırasında birbirine yaklaştıklarında benzer iyonların karşılıklı elektrostatik itmesi dikkate alınmalıdır. yüklü bölgeler, bu bölgelerin yüklü iyonların yüklere hareketi üzerindeki manyetik kuvvet etkisi.

Sürekli hareketle, elektroliz başladığında, iyonların aktif bir radyal hareketi (iyon akımı) ve ortaya çıkan gazın yüzen kabarcıkları, dönen bir ortamda gerçekleşir, bunların rotor mili yakınında birikmesi ve dışarıya çekilmesi, paramanyetik oksijenin ayrılması ve bir manyetik alanda diamanyetik hidrojen, gerekli elektrolit bölümlerinin sağlanması (çıkarılması) ve gelen iyonların yük ayırma işlemine bağlanması.

Pozitif ve negatif yüklü iyonların ve nötr moleküllerin varlığında sıkıştırılamaz adyabatik olarak izole edilmiş bir sıvının en basit durumunda, bu süreç (bileşenlerden biri için) aşağıdaki biçimde tanımlanabilir [9]:

1. Dış sınırdaki koşul altında hareket denklemleri (r = R, V-V pom):

¶ U / ¶ t = (G × Ñ) U = -grad Ф + D (a × U + b × W),

¶ W / ¶ t + (U × Ñ) W = -gradФ + D (a × W + b × U),

burada V ortamın hızıdır, H manyetik alan kuvvetidir, U = V + H / (4 × p × r) 0,5, W = VH / (4 × p × r) 0,5, Ф = P / r + (UW) 2/8, P - basınç, r - ortamın yoğunluğu, n, nm - kinematik ve “manyetik” viskozite, a = (n + nm) / 2, b = (n -nm) / 2.

2. Akışkan sürekliliği ve kapalı manyetik alan çizgileri denklemleri:

3. Elektrostatik alanın potansiyel denklemi:

4. Maddelerin (tip (1,3)) dönüşüm sürecini tanımlayan kimyasal reaksiyonların kinetiği denklemleri tanımlanabilir:

dC a / dτ = v (C o.a -C a) / V е -r a,

burada Ca, kimyasal reaksiyon ürünü A'nın konsantrasyonudur (mol / m3),

v, hareketinin hızıdır, V e, elektrolit hacmidir,

r a, reaktiflerin bir kimyasal reaksiyonun ürününe dönüşme hızıdır,

С о.а - reaksiyon bölgesine sağlanan reaktiflerin konsantrasyonu.

Metal-elektrolit arayüzünde, elektrot işlemlerinin kinetiğini hesaba katmak gerekir. Elektrolize eşlik eden bazı işlemler elektrokimyada (elektrolitlerin elektriksel iletkenliği, kimyasal olarak aktif bileşenlerin çarpışması sırasındaki kimyasal etkileşim eylemi, vb.) açıklanmıştır, ancak söz konusu işlemlerin birleşik diferansiyel denklemleri henüz mevcut değildir.

5. Elektroliz sonucunda gaz fazı oluşum süreci, termodinamik durum denklemleri kullanılarak tanımlanabilir:

y k = f (x 1, x 2,… .x n, T),

burada yk, durumun iç parametreleridir (basınç, sıcaklık T, spesifik (molar) hacim), xi, ortamın etkileşime girdiği dış kuvvetlerin dış parametreleridir (elektrolit hacminin şekli, merkezkaç ve manyetik kuvvetlerin alanı) , sınırdaki koşullar), ancak dönen bir sıvıda kabarcık hareketi süreci hala tam olarak anlaşılamamıştır.

Yukarıdaki diferansiyel denklem sisteminin çözümlerinin şimdiye kadar sadece birkaç basit durumda elde edildiğine dikkat edilmelidir.

EEG işleminin verimliliği, tüm kayıplar analiz edilerek enerji dengesinden elde edilebilir.

Yeterli sayıda devir ile rotorun sabit bir dönüşü ile, motor gücü N d için harcanır:
rotor Na'nın aerodinamik sürtünmesinin üstesinden gelmek;
mil yataklarında sürtünme kayıpları N p;
rotora giren elektrolitin hızlanması sırasında hidrodinamik kayıplar N gd, rotor parçalarının iç yüzeyine karşı sürtünmesi, elektroliz sırasında oluşan gaz kabarcıklarının şaftına gelen hareketin üstesinden gelmek (bkz. Şekil 1), vb;
elektroliz sırasında akım kapalı bir döngüde hareket ettiğinde polarizasyon ve omik kayıplar N om (bkz. Şekil 1);
pozitif ve negatif yüklerden oluşan N k kapasitörünün yeniden şarj edilmesi;
elektroliz N w.

Beklenen kayıpların büyüklüğünü tahmin ettikten sonra, enerji dengesinden, suyun oksijen ve hidrojene ayrışması için harcadığımız N enerjisinin fraksiyonunu belirlemek mümkündür:

N w = N d –N a -N p -N gd -N om -N k.

Elektriğe ek olarak, elektrolit hacmine N q = N we × Q / D H o gücünde ısı eklemek gerekir (bkz. ifade (6)).

O zaman elektroliz için tüketilen toplam güç:

N w = N biz + N q.

EHG'deki hidrojen üretiminin verimliliği, hidrojen Nw'nin faydalı elde edilen enerjisinin, motor N d'de harcanan enerjiye oranına eşittir:

h = N w ּ к / N d

nerede NS merkezkaç kuvvetlerinin ve bir elektromanyetik alanın etkisi altında EEG'nin performansındaki hala bilinmeyen artışı hesaba katar.

EHG'nin şüphesiz avantajı, hidrojenin uzun süreli depolanmasına ve taşınmasına gerek olmadığında özerk kullanım olasılığıdır.

EVG testi sonuçları

Bugüne kadar, geliştirilen elektroliz işlemi modelinin geçerliliğini ve üretilen EEG modelinin çalışabilirliğini doğrulayan iki EEG modifikasyonunun başarılı testleri gerçekleştirilmiştir.

Testlerden önce, sensörü sadece gazdaki hidrojen varlığına tepki veren AVP-2 gaz analizörü kullanılarak hidrojen kaydı olasılığı kontrol edildi. Aktif kimyasal reaksiyon sırasında açığa çıkan hidrojen Zn + H 2 SO 4 = H 2 + ZnSO 4 DC112 vakum kompresörü kullanılarak 5 mm çapında ve 5 m uzunluğunda bir PVC borudan AVP-2'ye verildi. Okumaların arka planının başlangıç ​​seviyesinde V o = %0.02 hacim. AVP-2, kimyasal reaksiyonun başlamasından sonra, hacimsel hidrojen içeriği V = % 0.15 hacme yükseldi, bu da bu koşullar altında gaz algılama olasılığını doğruladı.

12-18 Şubat 2004'teki testler sırasında, rotor gövdesine 60 ° C'ye (4 mol / l konsantrasyonlu) ısıtılmış bir sülfürik asit çözeltisi döküldü ve rotor 40 ° C'ye ısıtıldı. Deney sonuçları çalışmalar şunları gösterdi:

1. Elektrolit döndürüldüğünde (4 mol / l'lik bir konsantrasyonla), farklı moleküler ağırlıktaki pozitif ve negatif iyonları merkezkaç kuvveti ile ayırmak ve birbirinden aralıklı alanlarda yükler oluşturmak mümkün oldu, bu da Bu alanlar arasında, harici bir elektrik devresinde akım kapatıldığında elektrolizi başlatmak için yeterli bir potansiyel farkının ortaya çıkması.

2. Elektronlar, n = 1000 ... 1500 rpm rotor hızında metal-elektrolit arayüzündeki potansiyel bariyeri geçtikten sonra, su elektrolizi başladı. 1500 rpm'de, AVP-2 hidrojen analizörü hidrojen verimini V = %6 ... %8 hacim olarak kaydetmiştir. ortamdan hava sızıntısı durumlarında.

3. Hız 500 rpm'ye düştüğünde, elektroliz durduruldu ve gaz analiz cihazı okumaları ilk V0 = 0.02 ... %0.1 hacme geri döndü; hızın 1500 rpm'ye yükselmesiyle, hidrojenin hacimsel içeriği tekrar V = 6 ... % 8 hacme yükseldi ..

1500 rpm'lik bir rotor hızında, elektrolit sıcaklığındaki t = 17 o'dan t = 40 o C'ye bir artışla hidrojen veriminde 20 kat bir artış bulundu.

Çözüm

1. Merkezkaç kuvvetleri alanında önerilen yeni su ayrıştırma yönteminin geçerliliğini test etmek için bir cihaz önerilmiş, üretilmiş ve başarıyla test edilmiştir. Sülfürik asit elektrolitinin (4 mol/l konsantrasyonda) merkezkaç kuvvetleri alanında dönmesi sırasında, farklı moleküler ağırlıktaki pozitif ve negatif iyonların ayrılması meydana geldi ve birbirinden ayrılan bölgelerde yükler oluştu. Bu bölgeler arasında, harici elektrik devresinde kapanma akımı üzerine elektrolizin başlatılması için yeterli bir potansiyel farkının ortaya çıkmasına neden oldu. Elektroliz başlangıcı rotor hızı n = 1000 rpm'de kaydedildi.
   1500 rpm'de, AVP-2 hidrojen gazı analizörü, hacimce %6 ... 8 hacim yüzdesinde hidrojen evrimi gösterdi.
2. Su ayrışma sürecinin analizi yapılmıştır. Dönen bir elektrolitte bir merkezkaç alanın etkisi altında bir elektromanyetik alanın ortaya çıkabileceği ve bir elektrik kaynağının oluşabileceği gösterilmiştir. Rotorun belirli bir hızında (elektrolit ve elektrotlar arasındaki potansiyel bariyeri aştıktan sonra), su elektrolizi başlar. Santrifüjlü bir jeneratörde suyun elektrolizinin, geleneksel elektrolizörlerde mevcut olanlardan önemli ölçüde farklı koşullar altında gerçekleştiği tespit edilmiştir:
   - dönen elektrolitin yarıçapı boyunca hareket hızının ve basıncın arttırılması (2 MPa'ya kadar);
   - dönen yüklerin neden olduğu elektromanyetik alanların iyonlarının hareketi üzerinde aktif etki;
   - çevreden termal enerjinin emilmesi.
   Bu, elektrolizin verimliliğini artırmak için yeni olanaklar açar.
3. Şu anda, üretilen elektrik akımının parametrelerini, oluşan manyetik alanı ölçme, elektroliz işlemi sırasında akımı kontrol etme, giden hidrojenin hacimsel içeriğini ölçme yeteneği ile bir sonraki daha verimli EEG modelinin geliştirilmesi devam etmektedir. kısmi basınç, sıcaklık ve akış hızı. Bu verilerin, motorun halihazırda ölçülen elektrik gücü ve rotor hızı ile birlikte kullanılması şunları sağlayacaktır:
   - EVG'nin enerji verimliliğini belirlemek;
   - endüstriyel uygulamalarda ana parametreleri hesaplamak için bir metodoloji geliştirmek;
   - daha fazla iyileştirmenin yollarını özetlemek;
   - yüksek basınçların, hızların ve elektromanyetik alanların elektroliz üzerindeki henüz yeterince çalışılmamış etkisini açıklığa kavuşturmak.
4. Bir endüstriyel tesis, içten yanmalı motorlara veya diğer güç ve ısı tesisatlarına güç sağlamak için hidrojen yakıtı ve ayrıca çeşitli endüstrilerdeki teknolojik ihtiyaçlar için oksijen elde etmek için kullanılabilir; örneğin bir dizi endüstride gaz-plazma teknolojisi için oksihidrojen gazı elde etmek, vb.
5. EHG'nin şüphesiz avantajı, hidrojenin teknik olarak karmaşık uzun süreli depolanmasına ve taşınmasına gerek olmadığında özerk kullanım olasılığıdır.
6. Atık düşük dereceli termal enerji kullanarak sudan oldukça ucuz hidrojen elde etme ve sonraki yanma sırasında çevre dostu atıkların (yine su) serbest bırakılması bir hayal gibi görünüyordu, ancak EHG'nin uygulamaya girmesiyle gerçek olacak. .
7. Buluş, 20.02.2004 tarihli 2224051 sayılı bir PATENT aldı.
8. Şu anda, elektrolitin yanı sıra anot ve katodun kaplanması, elektrolizin verimliliğini onlarca kat artıracak şekilde patentlidir.

Kullanılan kaynakların listesi

1. Frish S.E., Timoreva A.I. Genel Fizik Kursu, Cilt 2, Moskova-Leningrad, 1952, 616 s.
2. Krasnov K.S., Vorobiev N.K., Godnev I.N. ve diğer Fiziksel kimya. Elektrokimya. Kimyasal kinetik ve kataliz, Moskova, "Lise", 2001, 219 s.
3. Shpilrain E.E., Malyshenko S.P., Kuleshov G.G. Hidrojen Enerjisine Giriş, 1984.10.
4. Putintsev N.M. Buzun, tatlı suyun ve deniz suyunun fiziksel özellikleri, Doktora tezi, Murmansk, 1995,
5. FM Kanarev Su yeni bir enerji kaynağıdır, Krasnodar, 2000, 155'ler,
6. Zatsepin G.N. Suyun özellikleri ve yapısı, 1974, 167 s,
7. Yavorskiy B.M., Detlaf A.A. Fizik El Kitabı, Moskova, “Nauka”, 1971, 939 s.
8. Konvansiyonel Olmayan Hidrojen Üretiminin Ekonomisi. Elektrokimyasal Sistemler ve Hidrojen Araştırmaları Merkezi, 2002, Mühendis, tamh, edutces/çeşr/merkez.
9. Portatif çok fonksiyonlu hidrojen analizörü AVP-2, Alfa BASSENS Firması, Biyofizik Bölümü, Moskova Fizik ve Teknoloji Enstitüsü, Moskova, 2003.

ELEKTROKİMYA, 2013, Cilt 49, Sayı 4, s. 348-354

UDC 544.431.134: 544.032.53

MANYETİK ALAN ETKİSİ ALTINDA ELEKTROLİT AKIŞINDA İYON TRANSFERİ

© 2013 S.A. Nekrasov

Güney Rusya Devlet Teknik Üniversitesi (Novocherkassk Politeknik Enstitüsü), Rusya Alındı ​​11 Temmuz 2011

İyon konsantrasyonlarının dağılımı, elektrik alanı ve bir elektrolit çözeltisinin akışındaki Lorentz kuvveti, harici bir manyetik alanın etkisi altında çözülür. Seyreltilmiş bir elektrolitin manyetize akışında yaygın bir iyonik tabakanın varlığı belirlenir ve özellikleri araştırılır.

Anahtar kelimeler: elektrolit akışı, manyetik alan, iyon transferi, çift elektrik katmanı BO1: 10.7868 / 80424857012120109

GİRİŞ

Elektrolit çözeltisi bir manyetik alanda hareket ettiğinde, Lorentz kuvvetlerinin neden olduğu çözelti içindeki iyonların yönlendirilmiş hareketi olgusu meydana gelir. Bu fenomen geniş bir pratik uygulama bulmuştur, ancak teorik çalışması henüz tamamlanmamıştır. Çalışmalarda, iletken çözeltilerdeki taşıma işlemlerinin modellenmesi, MHD yaklaşımı temelinde gerçekleştirilir (manyetik alanın etkisi, yalnızca sıvı parçacıkların ortalama kütle hareket hızı üzerinde dikkate alınır). Basitleştirilmiş bir model göz önünde bulundurulur, ancak bu çalışmada harici bir manyetik alanın kütle transferi süreçleri üzerindeki etkisinin önemli olabileceği not edilir. Makaleler ayrıca konsantrasyon gradyanları, iyonik kayma (iyonların kütle hızlarındaki fark), konveksiyon nedeniyle iyonların difüzyonunu da hesaba katar.

Elektrik, manyetik ve sıcaklık alanlarını dikkate alarak iletken sıvılarda taşıma süreçlerini hesaplamak için modellerin kapsamlı bir incelemesini içerir. Hesaplama, bir MHD denklemleri sistemine dayanmaktadır, iyonların difüzyonu ayrıca dikkate alınır, kanal sınırındaki çift iyonik katmanların önemli bir rol oynayabileceği not edilir, ancak bu katmanları alan işlemleri hesaplamak için modeller ve yöntemler dikkate alınmaz.

Ayrıca, işlerde, kural olarak, elektrik gereksiniminin

çözelti hacminin her noktasında tarafsızlık. Bu varsayım, her durumda kabul edilemez, çünkü zıt işaretlerin yük yoğunluklarındaki dengesizliğin bir sonucu olarak oluşturulan bir çift iyonik katmanın simüle edilmesine izin vermez.

Önerilen makalede, yaklaşık bir analitik yöntem temelinde, uzaysal izotermal durum için kendi kendine tutarlı elektrik alanının hesaplanması (yani, uzay yükü yoğunluğunun ve elektrik alanının dağılımlarının karşılıklı etkisini dikkate alarak) Lorentz kuvvetleri alanındaki iyon difüzyon denklemleri temelinde, manyetik indüksiyon dağılımı, kesit kanalının şekli, çözelti akışındaki hız profili dikkate alınarak gerçekleştirilir. Uygulanan doğrusallaştırma yöntemi, yöntemlerde kullanılanlardan bir takım farklılıklara sahiptir. Denklem sisteminin yüksek doğruluğu ve önemli ölçüde basitleştirilmesi nedeniyle, makalede ele alınan yöntem, difüzyon ve çift dikkate alınarak elektrik ve manyetik alanlarda çok çeşitli iyon taşıma fenomenlerinin analizi için oldukça etkilidir ve uygulanabilir. iyonik tabaka.

Çalışmanın sonucunda yazar, bir manyetik alanın etkisi altındaki çözeltilerdeki kütle ve elektrik transferine, elektrolit çözeltisinin sınırında (kanal duvarları veya gemi). Bu iyonik katmanın yapısı, birçok yönden elektrikli çift katmanın yapısına benzer, ancak çok daha az çalışılmıştır. Bu, sulu çözeltilerin manyetik tedavisi için sistemlerin bilinen modellerinde ve açıklamalarında, fenomeninin gerçeğiyle kanıtlanır.

interfaz sınırlarında bir iyonik tabakanın oluşumu göz ardı edilir. İncelenen sistemdeki dağınık iyonik katman, hacim ve yüzey etkilerinin aynı büyüklük sırasına katkıda bulunabilmesi bakımından klasik çift elektrik katmanından farklıdır. İncelenen modelde, kanal duvarlarının çözeltiye göre kimyasal olarak inert bir dielektrikten oluştuğu, akışkan akışında türbülansların olmadığı ve çözeltinin seyreltildiği varsayılmaktadır.

MODELİN TEMEL İLİŞKİLERİ

K-tipi iyonların sürüklenme hızı şu şekilde yazılabilir:

Vk = V0 + bk [^ rt (kjT 1nCk) + fk], k = 1, ..., N, (1)

burada y0 çözeltinin kütle ortalama akış hızıdır, bk iyonların hareketliliğidir, ck konsantrasyonlarıdır, fk ~ dk (E + V0 x B) kth tipi iyonlara etki eden Lorentz kuvvetidir, qk onların şarj (varsayılan

bu o

< 1), Е - вектор напряженности

^ + ^ Y (ck "v o)

ACk - ^ ё1y [Ck (E + Vo x B)],

gövde eşittir: B ~ e

Durağanlık varsayımı altında, sabit bir referans çerçevesinde hareketli bir çözümün hacmindeki elektrik alanı potansiyeldir: E = -ggadf, burada skaler elektrik potansiyeli f Poisson denklemini sağlar:

N S \ Df = W + 11 -11ё1y (V0 X B).

Çözüm hacminin dışında, elektrik alanı da durağan, potansiyel ve sonludur ve skaler elektrik potansiyeli Φе Laplace denkleminin bir çözümüdür:

elektrik alanı, V - manyetik indüksiyon vektörü; N, çözeltideki iyonların veya diğer yüklü (örneğin koloidal) parçacıkların toplam sayısıdır, kB, Boltzmann sabitidir, T, çözeltinin mutlak sıcaklığıdır.

(1)'i süreklilik denklemlerinde yerine koyarak: dsk \ q1 + egy (skVk) = 0, k = 1, ..., N, Einstein ilişkisini hesaba katarak, iyon taşıma denklemlerini elde ederiz:

Akışta bilinen bir hız alanı ile sistem (1) - (4), çözelti hacminin sınırındaki karşılık gelen sınır koşulları ve başlangıç ​​koşulları tarafından kapatılır. Metodolojik amaçlar için, modeli küçük teknik detaylarla karmaşıklaştırmamak için, kanal duvarlarının ve dış ortamın aynı εr = 1 geçirgenliklerine sahip dielektrikler olduğunu varsayacağız. Sulu bir çözelti akışı için, yapışma sınır koşulu yeterlidir, duvarların yakınında akış hızının sıfıra eşitliği ile ifade edilir. Yapılan varsayımlar dikkate alınarak, karşılık gelen sınır koşulları aşağıdaki gibi formüle edilir:

Vкп = 0, к = 1, ..., N, φ = φe,

nerede? - zaman; k-th tipindeki Dk iyonlarının hareketlilik Lk ve difüzyon katsayılarının sabit olduğu varsayılır. Çözümün kapladığı alan için denklemler sağlanır. İndüksiyon B, neredeyse her zaman yüksek doğrulukla gerçekleştirilen harici manyetik alanın değerine eşit olarak kabul edilir. Hareketli bir uzayın hacmindeki noktalar için elektriksel yer değiştirme vektörünün bulunduğu sabit bir referans çerçevesini ele alacağız.

mutlak, br - bağıl dielektrik, - çözeltinin bağıl manyetik geçirgenliği. cg değeri genellikle bire yakındır. Geniş bir alan frekansı aralığında seyreltik sulu çözeltiler için, δr «80. Elektrik yer değiştirme vektörü için ifadedeki terimler aynı büyüklük mertebesindedir.

burada b0 vakumun dielektrik sabitidir, n, çözelti hacminin dışındaki kanal duvarının normalinin vektörüdür ve a, spesifik adsorpsiyon fenomeni nedeniyle kanal duvarları üzerindeki yüzey yük yoğunluğudur.

Elektrik gerilimi, çözeltinin hacminden sonsuz uzaklıkta sıfır olma eğilimindedir. Başlangıç ​​koşulları, zamanın ilk anında iyon konsantrasyonu değerleri şeklinde belirtilebilir.

BİR DENKLEMLER SİSTEMİNİN DOĞRUSALLANDIRILMASI VE GEREKÇELERİ

(1) - (5) sisteminin pratik çözümünün karmaşıklığı, Denklem (2)'nin doğrusal olmamasının yanı sıra iyon konsantrasyonları ve elektrik alan dağılımlarının önemli homojensizliği ile ilişkilidir. Sistemin incelenmesi ve çözümü, potansiyeli perdeleyen Debye yarıçapı mertebesinde bir kalınlığa sahip ince bir duvar yakın tabakasında bir uzay yükü bölgesinin oluştuğunu belirlemeyi mümkün kıldı.

Lorentz kuvvetinin bileşeni. Kanal duvarlarından uzaklaştıkça, uzay yükünün gevşemesi meydana gelir; bu nedenle, çözeltinin kütlesi yarı nötrdür ve iyon akımları, kapalı yollar boyunca içinde dolaşır. Debye yarıçapı, damıtılmış su için bile 1 μm'yi geçmez.

Tahmini hesaplamalar, sulu çözeltiler için uzay yük yoğunluğunun hemen hemen her zaman çözeltinin hacmindeki iyonların kısmi yük yoğunluklarından çok daha düşük olduğunu göstermektedir. Bu özellik, yaklaşık eşitliğe göre doğrusallaştırılmasına dayanan formüle edilmiş sistemi çözmek için etkili bir yöntem oluşturmak için kullanılabilir:

elektrolit hacmindeki iyon konsantrasyonu.

İlk olarak, bir ikili elektrolitte düz denge çift elektrik katmanının hesaplanması örneğinde bu yöntemi test edelim. İyon konsantrasyonları ve elektrik alanı için karşılık gelen denklem sistemi şu şekildedir:

q (CE _ 0, x> 0;

dx kBT dx d 2f _ _ - (s + - s) dx2 e

C ± E _ 0, φ_ u, x _ 0;

c ± 0, x

nerede ve elektrik çift katmanında voltaj düşüşü düşüyor, c ± elektrikli çift katmandaki pozitif ve negatif iyonların konsantrasyonu, c0 elektrolit hacmindeki iyon konsantrasyonunun değeri, q değeridir iyonların mutlak yükü.

Ele alınan denklem sistemi Guy-Chapman modeline karşılık gelir. Kesin çözümü analitik olarak bulunur ve şu şekilde yazılabilir:

c = Coexp | + -i -! -

c1Ы 1 exp (x I + 1

c1b | -ЯЕ- 1 exp (I- 1

e, çözümün Debye yarıçapıdır, eşittir

Orijinal denklem sistemini dikkate alarak aşağıdaki dönüşümleri gerçekleştireceğimiz doğrusallaştırma hatasını inceleyelim:

Wy (c ± E) = c0MyE + Wy [(c ± - c0) E] =

burada p = - (c + - c) uzay yükü yoğunluğudur. Doğrusallaştırma, ikinci terimi (parantez içinde) atmaktan ibarettir. Bir dizi teknik dönüşümden sonra, farklı işaretlere sahip iyonlar için difüzyon denklemlerinin her biri için bağıl doğrusallaştırma hatasının yukarıdan şu değerle tahmin edildiğini bulduk:

2. deneyim | + 2T

Pratikte, alanı hesaplamak için yalnızca uzay yükünün p yoğunluğunu bilmek gerekir,

A. BUND, D. Koshichov, G. Mutshke, D. Frölich, K. Young - 2012