Сайт малая энергетика Розин М.Н. Будяк Д.В.


Главная

Пара слов об авторе

Что такое киловатт-час?

Потребление энергии в частном доме

Правда жизни: без топлива - никак

Возможен ли вечный двигатель?

Как искать патенты

Энергия ветра

Самодельный генератор на постоянных магнитах

Самодельный ветряк с лопастями из шпона

Статья о древесных гранулах и сравнении их с другими видами топлива

Самодельная ветроустановка с вертикальной осью вращения

Самодельный трех лопастный ветряк с автомобильным генератором переделанным на постоянные магниты

Самодельный автоматический котел на древесных гранулах

Самодельный ветряк с лопастями из алюминиевой трубы с самодельным генератором

Самодельный тихоходный ветряк

Схема электрическая тихоходного ветряка

Самодельный ветряк с самодельным генератором

Ветряк в сельском доме - опыт и раздумья

Книги, архивы метеоданных

Наш ветряк с задней ступицей от ВАЗ-2109, доклад, авг 2012, pdf

Наш ветряк - доклад, фотографии и смета (zip)

Возобновляемая энергетика на Родосе

Теория идеального ветряка или в чем ошибка Владимира Сидорова

Знак вопроса

Перевод инструкции к программе Profili

Быть или не быть?

Ветрогирлянды

Что такое число Рейнольдса?

Теория паруса

Теория идеального ветряка

Расчет лопастей ветряка

Старинный ветряк, сохранившийся в курском областном музее.

Вопросы по расчету лопастей

Расчет минимального ветра, необходимого для страгивания ветряка

Концентраторы ветрового потока

Ветровая энергия для дома

Оптимальный угол атаки в ветряке

Винт-турбина

Поляры плоской пластины и желобков, а также GOE417A

Как изготовить деревянные лопасти для ветряка

Программа для трансформации профилей

Идеальный коэффициент использования энергии ветра.

Г. X . САБИНИН ТЕОРИЯ ИДЕАЛЬНОГО ВЕТРЯКА

Программа для расчета потерь напора

Парашютный ветряк

Энергия воды

Энергия равнинных рек - что ждать?

Самодельная мини гидроэлектростанция Кимкетовых

Принцип работы гидротарана и расчетные формулы.

Статья из довоенной технической энциклопедии про гидротаран.

Самодельная микро ГЭС. Часть 1. Напорная установка

Теория и расчет напорной микро ГЭС

Теория и расчет пропеллерной проточной микро ГЭС

Турбина Пельтона. Физика работы и основные формулы.

Энергия Солнца

Несколько слов об энергии Солнца

Возобновляемая энергетика на Родосе

Электрооборудование

Сложности при изучении магнетизма.

Как измерить характеристики неизвестного магнита?

Расчет магнитного поля в железе генератора.

Расчет бандажа для постоянных магнитов

Электрогенераторы ВИНДЭК для ветряков и микро ГЭС

Электрические характеристики велосипедного генератора

Электрические характеристики генератора Г303В

Определение внутреннего сопротивлениия генератора

Устройство автомобильных генераторов

Книги и ссылки

Авторское право

Карта сайта

__________

 


>>Самодельные топливные элементы

Топливные элементы: состояние на конец декабря 2010

УТЭ - состояние и перспективы

Состояние

На данный момент вполне ясно, что УТэ (угльные топливные элементы, они же - DCFC) работают. Ясно, что материалы, из которых они изготавливаются, весьма дёшевы. Неудовлетворительными являются следующие особенности:

1. малая удельная мощность. Это приводит к большому удельному весу, удельному объёму и большому времени запуска. На данный момент реально достигнута мощность до 30Вт/л (SARA), у меня - около 10Вт/л. В пересчёте на вес энергоустановки получается порядка 3-10Вт/кг, недопустимо мало для мобильных применений. Необходимо повысить удельную мощность до 50-100Вт/л и 25-50Вт/кг.

2. Потери электролита. Я ещё не смог оценить скорость потери электролита за счёт его карбонизации, но ясно, что скорость потери электролита с брызгами и за счёт капиллярных явлений недопустимо велика. Несмотря на то, что сейчас я использую стаканы с крышками, за полчаса половина электролита утекает из стакана.

При этом, есть два механизма потерь: через брызги и через подъём по стенке за счёт сил поверхностного натяжения. Скорость потери электролита нужно сократить, как минимум, на порядок.

3. Едкие пары. Пары и брызги электролита попадают в воздух и создают туман, опасный для здоровья. В помещении это прекрасно заметно даже на моих прототипах с мощностью в десятые доли ватта. Особенно это актуально в случае более хорошего, но и более летучего электролита, каковым является KOH, по этой причине мне не удалось завершить ни одного опыта с KOH. KOH при рабочей температуре элемента в сто раз более летуч, чем NaOH и имеет существенное давление насыщенных паров (единицы мм рт. ст).

Как преодолеть недостатки

Едкие пары

Нужно охладить выхлопные газы и поставить на выходе фильтр. Дело техники.

Потери электролита через утекание

Преодолеваются следующими основными способами:

1. Созданием плотно закрывающейся крышки с небольшими отверстиями (см патент Жако, там всё это нарисовано).

2. Устранинем градиента температур, способствующего подъёму электролита по стенкам.

Обычно в ходе эксперимента верхняя часть стакана должна быть доступна для осмотра и других манипуляций, а тепло подводится с боков стакана. Поэтому, крышка холоднее, чем стакан. Это приводит к термокапиллярному движению электролита вверх по стенкам.

Этот градиент можно уменьшить или даже перенаправить вниз, подводя тепло, в основном, к верхней части стакана.

3. Увеличением высоты от ватерлинии до крышки.

Все эти меры вполне реализуемы, но они затрудняют экспериментальную работу, поэтому их, видимо, следует проводить после достижения необходимой удельной мощности.

Сложнее устранить потерю с брызгами. Видимо, нужно сделать так, чтобы не было прямой траектории, при которой брызги от лопающихся пузырей вылетают вовне стакана. Для этого можно предусмотреть дополнительные "манжеты" на трубе подвода воздуха и на держателе угольного анода. Эти "манжеты" также делают манипуляции с элементом неудобными, как и плотная крышка. Слишком мелкие брызги, в любом случае, будут уноситься с током выхлопных газов, тут поможет только фильтр или циклон.

Малая удельная мощность

УТЭ является электрохимическим реактором. Значит, к нему применимы все соображения об оптимизации химических и гальванических процессов. УТЭ конструкции Жако является барботером, в нём движущей силой явлется поток поднимающихся пузырьков. Он поддерживает и усиливает следующие процессы:

- доставку кислорода к месту его потребления

- перемешивание электролита

- отрыв пузырьков CO2 от угля

- смыв продуктов коррозии с железа и золы с угля

Общая производительность УТЭ определяется по слабому звену. В зависимости от выбранной конструкции УТЭ, это звено может быть разным. Возможные варианты:

- скорость протекания электрохимических процессов на катоде

- скорость протекания электрохимических процессов на аноде

- скорость удаления CO2, золы, растворимых и нерастворимых продуктов реакции и коррозии с анода и катода, она в свою очередь лимитируется касательным напряжением вязкого трения, возникающего при движении потока жидкости вдоль анода, а также характером перемешивания электролита

- скорость растворения кислорода в электролите, она в свою очередь лимитируется

-- площадью поверхности соприкосновения

-- интенсивностью движения пузырька сквозь электролит

-- временем пребывания пузырька внутри электролита (если он пребывает слишком долго, то весь кислород из него расходуется и дальше он не работает, это может происходить со слишком мелкими пузырьками)

-- кинетикой самой реакции растворения (она может иметь как физический, так и химический характер)

В барботере, скорость растворения при прочих равных прямо пропорциональна объёму электролита. Значит, если мы будем уменьшать зазоры между электродами, это не приведёт к безконечному росту удельной мощности, а в какой-то момент работа элемента упрётся в скорость растворения. По моим наблюдениям и оценкам, при зазоре в 3-10мм скорость растворения уже может оказаться самым медленным процессом в элементе.

- омические потери в угольке, железе, электролите, точке контакта угля с токоотводом и самом токоотводе. Омические потери в электролите тесно связаны с интенсивностью и характером его перемешивания, а также с его газонасыщенностью. Например, электролит в виде пены будет иметь существенно большее сопротивление, чем электролит, свободный от пузырьков. Тем самым мы получаем противоречие со скоростью растворения: растворение как раз быстрее всего происходит в пене.

диффузия газов внутри пузырька, как показали расчёты, не оказывает влияния, т.к. протекает относительно очень быстро.

Также на производительность влияет давление внутри элемента и внутри пузырьков. Можно увеличивать как макроскопическое давление, так и давление внутри пузырька. Давление внутри пузырька размером менее 0.1мм оказывается существенно выше, чем в больших пузырьках.

Ещё один лимитирующий фактор связан с пропускной способностью объёма элемента по воздуху. По большому счёту, их можно выразить через одно понятие - порог выдувания электролита, при котором поток воздуха становится столь силён, что электролит не может удержаться внутри элемента. Выдувание может зарождаться как в глубине электролита (образование слишком лёгкой пены во всей толще жидкости), так и на поверхности (пузырьки не успевают лопаться и происходит эффект убегающей каши).

К сожалению, мне неизвестны численные значения разных ограничивающих факторов, оптимальную конструкцию приходится искать опытным путём. В любом случае, из химической технологии известно, что обычный барботаж является одним из наименее эффективных с точки зрения удельной производительности способом проведения подобных процессов. Учитывая предыдущие усилия исследователей, вряд ли удастся добиться мощностей существенно выше 30 Вт/л.

Значит, нужно искать другие пути повышения удельной мощности. Каковы возможные варианты? Все эти варианты сводятся, по сути, к одному: усилить интенсивность основных процессов в элементе, подводя к нему энергию. Можно оценить удельную мощность барботера как

сигма*площадьВСекунду+расходВоздуха*ро*g*h

здесь - сигма - коэфт поверхностного натяжения

площадьВСекунду - площадь поверхности пузырьков, создаваемая в секунду

ро - кажущаяся плотность электролита с учётом пузырьков

h - высота столба жидкости

Можно видеть, что эта мощность ничтожна по сравнению с мощностью элемента, и, к тому же, некоторая её часть тратится без всякой пользы на вязкое трение внутри жидкости. Если рассмотреть весь процесс в целом, то имеются ещё значительные безполезные затраты на трение внутри распылителя воздуха на преодоление. Без особого ущерба для КПД можно затратить до 20% мощности элемента на перемешивание. Как это можно сделать?

Общие принципы для роста удельной мощности

Кажется достаточно очевидным, что нужно уменьшить зазоры между катодом и анодом, уменьшить толщину самих катода и анода, разместить как можно большую площадь анодов и катодов в единице объёма и прокачивать через них смесь электролита с воздухом за счёт какого-то насоса. Самый технологически простой способ задействовать этот насос - пневматический. Т.е., нужен некоторый насос с пневмоприводом, причём, он должен быть как можно более простым и, желательно, без подвижных частей. Почему так? Потому что установка в обязательном порядке включает несколько элементов. Видимо, минимальное количество - это два. Вряд ли удастся обезпечить долгую жизнь насоса, значит, он должен быть составной частью элемента и должен выбрасываться по завершению срока жизни элемента. Также, скорее всего, нельзя поставить один насос на несколько элементов, поскольку единственным реальным претендентом на материал трубки, соединяющей элементы между собой, является сталь, а это означает короткое замыкание между элементами. Впрочем, это небезспорно - всё равно анод одного элемента должен быть соединён с катодом другого, можно попробовать сделать соединение в виде стальной трубки и пропускать через неё электролит.

Конструкционные материалы

Их совсем немного.

Сталь. Сталь корродирует. Если сделать стальной клапан в стальном седле, то он легко может прилипнуть к седлу. Может быть, применима нержавеющая сталь.

Уголь. Уголь сгорает, особенно, если он соприкасается с железом.

MgO. MgO не корродирует, но изделия из него чрезвычайно дороги. Дёшев только порошок MgO.

Al2O3. Al2O3 постепенно растворяется в электролите, изделия из него дороги.

Сода, алюминаты, силикаты. Все эти соли растворяются в электролите, нужно изучать возможность применения.

Цирконий. Дорого.

Серебро. Дорого.

Виды насосов

Эрлифт

Барботер - это уже и так полуэрлифт. Настоящий эрлифт отличается тем, что подача газа идет не ото дна, как в элементе Жако, а с середины высоты стакана.

Кроме того, восходящий и нисходящий потоки в эрлифте изолированы. При использовании эрлифта может получиться неприятная ситуация, когда электролит течёт вдоль анода по нисходящей траектории. Это вызовет затруднение при удалении с анода пузырей CO2. Если же пузыри в эрлифте будут пробулькивать сквозь решётку из часто расположенных анодов и катодов, то, скорее всего, они будут выберать отдельные элементы решётки чаще других, что приведёт к неравномерной работе элемента. Видимо, этот вариант не является предпочтительным.

Струйный насос

Струйный насос, очевидно, даёт более интенсивное перемешивание. Его недостаток - он не будет работать с нашим маленьким расходом. Попробовать импульсный режим?

Объёмный (поршневой) насос

Можно попробовать поршневой насос с газообразным поршнем. Вопрос - что делать с клапанами. Как показано выше, будут проблемы с их изготовлением. Один из вариантов - сделать клапаны и их сёдла из MgO, а возвращающие пружины - из нержавеющей стали.

Центробежный/вихревой насос

К каждому стакану придётся подводить отдельный вал. Этого хотелось бы избежать.

Вибрационный насос

по типу насоса "малыш" - однако, насос "малыш", как и все известные мне по литературе виды вибрационных насосов, имеют входной клапан, поэтому вряд ли получится реализовать вибрационный насос напрямую. Может быть, подойдёт что-то вроде пульсационной мешалки, при этом стакан будет неподвиен, а уголёк или даже сборка из уголька и близко расположенного катода - подвижным элементом.

Будяк Д.В.

 

Аккумулирование

Аккумулирование и локальные энергосети

Электроэнергия из теплоаккумулятора

Газовые аккумуляторы

Энергия смешивания воздуха с водой

Энергия из воздуха: список ссылок и патентов"

Моя модель энергетической башни (видео)

Дождливые башни - не всё так страшно

Дождливая башня превращается в ледянящую

Электричество из тепла

Правда жизни: без топлива - никак

Промышленно выпускавшиеся двигатели Стирлинга

Двигатель стирлинга мощностью 44 вт

Моя программа расчёта Стирлинга

Книга Уолкера по двигателям Стирлинга

Расчёт криокулера с циклом Стирлинга (djvu)

Модельный Стирлинг из пробирки

Ищем активные сообщества по Стирлингам

Как сделать маленькую паровую машину, 1913 год

Как сделать мощную паровую машину, 1913 год

Мощные промышленные паровые машины Spilling, pdf

Термоэлектричество

Теория вихревых турбомашин, tif

Сайт Дубинина В.С.

ДВС

Вода в бензине - из истории вопроса

Взрыв пыли - к вопросу о твёрдотопливном ДВС

Проектируем свой Стирлинг

Заглавная страница проекта Стирлинга

Про уплотнения из графита

Отчёт о состоянии проекта – июнь 2015

Техническая концепия системы

Экономическая концепия проекта

Водород в двигателе Стирлинга

Журнал изменений проекта

Ищем активные сообщества по Стирлингам

Моя программа расчёта Стирлинга

Самодельные топливные элементы

Топливные элементы с прямым окислением угля (DCFC)

Оригинальная статья автора изобретения (1896 год) в Русском переводе

Опыты фирмы SARA

Обзор зарубежных публикаций

Мои опыты по DCFC в 2005 г.

Состояние работ на сентябрь 2010 года

Лабораторная работа N1 (Open Office)

Дневники некоторых опытов

Методичка по изготовлению уголька(Open Office)

Программы для управления экспериментом

Программирование

Программы для опытов по DCFC/УТЭ

Введение в Common Lisp для профессионалов Delphi/SQL

Мой старый .emacs (utf-8)

Примеры метапрограммирования в программе Mathematica

__________


К началу страницы