RU2340996C1

RU2340996C1 - Pulse electromechanical source of supply

Info

Publication number: RU2340996C1
Application number: RU2007111595/09A
Authority: RU
Inventors: Филипп Михайлович Канарёв (RU); Филипп Михайлович Канарёв; ной Игорь Владимирович Скл (RU); Игорь Владимирович Скляной; Александр Анатольевич Шевцов (RU); Александр Анатольевич Шевцов; Адам Измаилович Тлишев (RU); Адам Измаилович Тлишев; Дмитрий Сергеевич Дмитриев (RU); Дмитрий Сергеевич Дмитриев
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2008-12-10

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention is related to the field of electrical engineering and physical and chemical technologies, and refers to devices used for water electrolysis. Substance of invention consists in the fact that in pulse electromechanical source of supply that contains casing (1), stator (3) in the form of magnetic core (4) with winding (5), rotor (7) and current collector (9), according to this invention, in casing (1) electric motor (2) is installed (2), on the shaft (6) of which rotor (7) is installed with permanent magnets (8), which are installed along magnetic core (4) of windings (5) of stator (3), which is rigidly fixed to casing (1), at that permanent magnets (8) are installed opposite to each other with the possibility of magnetic power lines penetration through windings (5) of stator (3), at that internal surfaces of permanent magnets (8) have dissimilar poles, and as current collector windings (5) of stator (3) are used.

EFFECT: reduction of power inputs for water electrolysis.

2 dwg

Description

Изобретение относится к физико-химическим технологиям и технике для электролиза воды.The invention relates to physicochemical technologies and techniques for electrolysis of water.

Известно устройство для питания электролизера, представляющее собой электрический генератор (патент РФ №2230197, МПК F01K 13/00, Н02К 57/00, 2004 г.). Сущность изобретения состоит в том, что генератор снабжен электролизером воды, содержащим щеткообразные электроды с вольфрамовыми иголками, направленными друг на друга и установленными с надлежащим зазором, электроды установлены в прямоугольную или цилиндрическую емкость коаксиально друг другу. На дне емкости электролизера установлена перфорированная трубка аэратор-катализатор, трубка соединена с компрессором. Емкость электролизера соединена входной трубкой с секцией емкости накопления конденсата через конденсатопровод, электрический насос и с емкостью жидкой щелочи через дозатор, снабженный соленоидом и реле времени. Емкость электролизера соединена с плазмотроном, расположенным в камере ионизации, при помощи трубки. Камера ионизации снабжена плазмотроном, отражателем плазменной струи и водяного пара, коллектором и паровыми трубками, расположенными под разным углом наклона, направленными на плазменную струю. Электроды электролизера соединены с источником переменного тока через электромашинный преобразователь, датчик электрических импульсов и переключатели.A device for powering an electrolyzer is known, which is an electric generator (RF patent No. 2230197, IPC F01K 13/00, Н02К 57/00, 2004). The essence of the invention lies in the fact that the generator is equipped with a water electrolyzer containing brush-shaped electrodes with tungsten needles directed at each other and installed with a proper gap, the electrodes are installed in a rectangular or cylindrical container coaxially to each other. A perforated aerator-catalyst tube is installed at the bottom of the electrolytic tank; the tube is connected to the compressor. The capacity of the electrolyzer is connected by an inlet tube to a section of the condensate storage capacity through a condensate line, an electric pump, and with a liquid alkali capacity through a dispenser equipped with a solenoid and a time relay. The capacity of the electrolyzer is connected to a plasmatron located in the ionization chamber, using a tube. The ionization chamber is equipped with a plasma torch, a reflector of the plasma jet and water vapor, a collector and steam tubes located at different angles of inclination, aimed at the plasma jet. The electrodes of the electrolyzer are connected to an alternating current source through an electric machine converter, an electric pulse sensor, and switches.

Известно также устройство получения электрической энергии для электролиза воды, содержащее корпус, статор в виде магнитопровода с обмоткой, ротор и токосъемник; патент РФ №2284629, МПК Н02К 21/20, Н02К 31/02, 2006 г. (прототип). Сущность изобретения состоит в следующем. Униполярный бесколлекторный торцовый генератор постоянного тока, содержащий неподвижный раздвоенный кольцевой магнитопровод якоря с пазами для укладки обмотки якоря, вращающиеся торцовые магнитопроводы индукторов для возбуждения и вентилятор, отличающийся тем, что в схеме возбуждения генератора установлены радиальные электромагниты и круговые электромагниты, при этом вращающиеся на валу ротора генератора торцовые магнитопроводы обоих индукторов вместе с радиальными и круговыми электромагнитами обращены встречно через воздушный промежуток одноименными полюсами к магнитопроводам с обмоткой якоря, что обеспечивает в торцовых магнитопроводах обоих индукторов постоянное наличие остаточного магнетизма, способствующего возбуждению генератора, при этом схема возбуждения снабжена двумя щеточно-контактными узлами, включающими щетками токосъема и неразрезные контактные кольца. Область использования предлагаемого изобретения расширяется путем обеспечения возможности его использования в промышленности как в качестве генератора, так и в качестве двигателя, а именно в электрифицированном транспорте, в ветроустановках, для электросварки и электролиза.It is also known a device for producing electrical energy for water electrolysis, comprising a housing, a stator in the form of a magnetic circuit with a winding, a rotor and a current collector; RF patent No. 2284629, IPC Н02К 21/20, Н02К 31/02, 2006 (prototype). The invention consists in the following. A unipolar brushless face DC generator containing a fixed bifurcated annular armature magnetic core with grooves for laying the armature winding, rotating end magnetic circuits of the inductors for excitation and a fan, characterized in that radial electromagnets and circular electromagnets are installed in the generator excitation circuit, rotating on the rotor shaft generator end magnetic circuits of both inductors together with radial and circular electromagnets are facing in the opposite direction through the air the gap between the poles of the same name to the magnetic circuits with the armature winding, which ensures the permanent presence of residual magnetism in the magnetic circuits of both inductors, which contributes to the excitation of the generator, while the excitation circuit is equipped with two brush-contact assemblies, including current collection brushes and continuous contact rings. The scope of the invention is expanding by providing the possibility of its use in industry both as a generator and as an engine, namely in electrified transport, in wind turbines, for electric welding and electrolysis.

Недостатком известных устройств является большое потребление энергии для питания электролизеров, современные промышленные электролизеры расходуют от 3 до 6 кВтч электроэнергии на получение одного кубического метра смеси водорода и кислорода. Это превосходит количество энергии, которая выделяется при сжигании этой смеси. Также в известном устройстве (прототипе) схема возбуждения снабжена двумя щеточно-контактными узлами, а это отрицательно влияет на надежность и долговечность.A disadvantage of the known devices is the high energy consumption for powering the electrolysers, modern industrial electrolyzers consume from 3 to 6 kWh of electricity to produce one cubic meter of a mixture of hydrogen and oxygen. This exceeds the amount of energy that is released when burning this mixture. Also in the known device (prototype), the excitation circuit is equipped with two brush-contact nodes, and this adversely affects reliability and durability.

Техническим решением задачи является снижение затрат электрической энергии на получение из воды газовой смеси водорода и кислорода или этих газов в разделенном состоянии.The technical solution to the problem is to reduce the cost of electrical energy to obtain from water a gas mixture of hydrogen and oxygen or these gases in a separated state.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в импульсном электромеханическом источнике питания, содержащем корпус, статор в виде магнитопровода с обмоткой, ротор и токосъемник, согласно изобретению в корпусе установлен электродвигатель, на валу которого расположен ротор с постоянными магнитами, установленными вдоль магнитопровода обмоток статора, жестко соединенного с корпусом, причем магниты расположены противоположно друг другу с возможностью обеспечения пронизывания магнитными силовыми линиями обмоток статора, при этом внутренние поверхности магнитов имеют разноименные полюса, а в качестве токосъемника использованы выводы обмотки статора.The solution to this problem is achieved by the fact that in a pulsed electromechanical power source containing a housing, a stator in the form of a magnetic circuit with a winding, a rotor and a current collector, according to the invention, an electric motor is installed in the housing, on the shaft of which a rotor with permanent magnets mounted along the magnetic circuit of the stator windings is rigidly installed connected to the housing, and the magnets are located opposite each other with the possibility of ensuring penetration by the magnetic lines of force of the stator windings, while inside The side surfaces of the magnets have opposite poles, and the stator winding leads are used as a current collector.

Новизна заявляемого предложения обусловлена тем, что все электролизеры, заряжаясь в начале работы, приобретают постоянный потенциал, свойственный конденсатору. Величина этого потенциала увеличивается с увеличением количества ячеек в электролизере. Таким образом при длительной работе электролизера его достаточно подзаряжать дополнительными импульсами напряжения, амплитуда которых должна превышать величину постоянного потенциала на 5-10%, а средняя величина такого импульса в зависимости от длительности и скважности импульсов может составлять 5-10% от общего постоянного потенциала. Установлено также, что мощность, формирующаяся на общем валу электромотора и генератора импульсов, равна произведению средней величины импульса напряжения на среднюю величину импульса тока. Указанная величина оказывается значительно меньше величины произведения постоянного потенциала на среднюю величину тока.The novelty of the proposed proposal is due to the fact that all electrolyzers, charging at the beginning of work, acquire a constant potential inherent in a capacitor. The value of this potential increases with an increase in the number of cells in the cell. Thus, during prolonged operation of the electrolyzer, it is sufficient to recharge it with additional voltage pulses, the amplitude of which should exceed the value of the constant potential by 5-10%, and the average value of such a pulse, depending on the duration and duty cycle of the pulses, can be 5-10% of the total constant potential. It was also established that the power generated on the common shaft of the electric motor and the pulse generator is equal to the product of the average value of the voltage pulse by the average value of the current pulse. The indicated value is much less than the product of the constant potential by the average current value.

По данным научно-технической и патентной литературы не обнаружена совокупность признаков, аналогичная заявляемой, что позволяет судить об изобретательском уровне предложения.According to the scientific, technical and patent literature, no combination of features was found, similar to the claimed one, which allows one to judge the inventive step of the proposal.

Поскольку предлагаемое техническое решение может быть применено в промышленности для экономии электрической энергии при электролизе воды, то можно утверждать, что предложение соответствует критерию «промышленная применимость».Since the proposed technical solution can be applied in industry to save electrical energy during electrolysis of water, it can be argued that the proposal meets the criterion of "industrial applicability".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен импульсный электромеханический источник питания; на фиг.2 представлен график электрических импульсов для подзарядки электролизера.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a pulsed electromechanical power source; figure 2 presents a graph of electrical pulses for recharging the cell.

Импульсный электромеханический источник питания состоит из корпуса 1, на котором жестко закреплен электродвигатель 2 и статор 3 в виде магнитопровода 4 с обмоткой 5. На валу 6 электродвигателя расположен ротор 7 с двумя постоянными магнитами 8, причем магниты расположены так, чтобы магнитные силовые линии пронизывали обмотки статора и наводили в них ЭДС. Образующиеся при этом импульсы напряжения и тока снимаются с выводов 9 обмотки 5 и используются для питания электролизера. Причем импульсы имеют строго определенную форму с крутым подъемом и пологим спуском.The pulsed electromechanical power supply consists of a housing 1, on which the electric motor 2 and the stator 3 are fixed in the form of a magnetic circuit 4 with a winding 5. On the shaft 6 of the electric motor is a rotor 7 with two permanent magnets 8, and the magnets are located so that the magnetic field lines penetrate the windings stator and induced EMF in them. The resulting voltage and current pulses are removed from the terminals 9 of the winding 5 and are used to power the electrolyzer. Moreover, the pulses have a strictly defined shape with a steep ascent and a gentle slope.

Импульсный электромеханический источник питания работает следующим образом. Электродвигатель 1 включается в сеть, начинает вращаться вал 6, вращение передается жестко закрепленному на валу ротору 7 с двумя постоянными магнитами 8. При прохождении магнитами вблизи магнитопровода 4 магнитные силовые линии пронизывают магнитопровод и наводят ЭДС в его обмотке 5, образующиеся при этом импульсы напряжения и тока снимаются с выводов обмотки 9 и используются для питания электролизера.Switching electromechanical power source operates as follows. The electric motor 1 is connected to the network, the shaft 6 begins to rotate, the rotation is transmitted to the rotor 7, which is fixed to the shaft with two permanent magnets 8. When magnets pass near the magnetic circuit 4, magnetic lines penetrate the magnetic circuit and induce an EMF in its winding 5, resulting in voltage pulses and current are removed from the terminals of the winding 9 and are used to power the electrolyzer.

Поскольку электрическая сеть электролизера связана со всей электрической сетью, то приборы, измеряющие мощность, потребляемую электролизером, формируют показания, в которых учитывается величина постоянного потенциала и средняя величина формирующегося при этом электрического тока. При такой системе подачи электрической энергии в электролизер измерительные приборы учитывают не только величину напряжения, которое необходимо для его подзарядки, а полную величину постоянного потенциала, которая в 10-15 раз больше величины потенциала, необходимого для подзарядки электролизера (фиг.2). Так работают все современные электролизеры и все варианты совершенствования такого способа его питания, которые взяты в качестве прототипов, уже задействованы.Since the electric network of the electrolyzer is connected to the entire electric network, the instruments that measure the power consumed by the electrolyzer form readings that take into account the value of the constant potential and the average value of the electric current generated in this case. With such a system for supplying electric energy to the electrolyzer, the measuring devices take into account not only the voltage that is necessary for its recharging, but the full value of the constant potential, which is 10-15 times greater than the potential required to recharge the electrolyzer (figure 2). This is how all modern electrolyzers work and all the options for improving this method of power supply, which are taken as prototypes, are already involved.

При проведении эксперимента в качестве ячеек использованы электроды из нержавеющей стали газогенератора «Аква-Терм», изготовляемого Азовским ПО «Донпрессмаш». При проведении серии опытов удельная мощность на получение газовой смеси Вт/л остается постоянной при увеличении количества ячеек. При этом надо иметь в виду, что это - прямой показатель, так как в нем не учитываются затраты мощности на трансформацию и выпрямление сетевого напряжения, что составляет около 30%. Поэтому при обычном способе питания указанного электролизера счетчик электроэнергии показывает величину примерно 5,8 Вт/л, а при использовании импульсного электромеханического источника питания вольтметр и амперметр показывают около 4,5 Вт/л, а счетчик электроэнергии - около 2,0 Вт/л газовой смеси.During the experiment, stainless steel electrodes of the Aqua-Therm gas generator manufactured by the Azov Production Association Donpressmash were used as cells. During a series of experiments, the specific power for obtaining the gas mixture W / l remains constant with an increase in the number of cells. It should be borne in mind that this is a direct indicator, since it does not take into account the power consumption for the transformation and rectification of the mains voltage, which is about 30%. Therefore, with the usual method of supplying said electrolyzer, the electricity meter shows a value of about 5.8 W / l, and when using a pulsed electromechanical power source, the voltmeter and ammeter show about 4.5 W / l, and the electricity meter is about 2.0 W / l gas mixtures.

Таким образом экспериментально доказано, что затраты энергии на электролиз воды существующими электролизерами можно уменьшить примерно в 2 раза. Для этого необходимо питать электролизер электричеством, генерируемым импульсным электромеханическим источником питания.Thus, it has been experimentally proved that energy costs for electrolysis of water by existing electrolysis cells can be reduced by about 2 times. To do this, it is necessary to power the electrolyzer with electricity generated by a pulsed electromechanical power source.

Амплитуды импульсов напряжения и тока, а также их частоты, длительности и скважности рассчитываются для каждого конкретного электролизера индивидуально по известным методикам. При этом импульсы напряжения 1 (фиг.2) должны иметь крутой подъем и пологий спуск.The amplitudes of the voltage and current pulses, as well as their frequency, duration and duty cycle, are calculated individually for each specific cell by known methods. In this case, the voltage pulses 1 (figure 2) must have a steep rise and a gentle slope.

Предлагаемый импульсный электромеханический источник питания уменьшает затраты электрической энергии, потребляемой электролизерами, повышает их энергетическую эффективность и снижает стоимость получаемых при электролизе воды газов: кислорода и водорода.The proposed pulsed electromechanical power source reduces the cost of electrical energy consumed by electrolyzers, increases their energy efficiency and reduces the cost of gases obtained during the electrolysis of water: oxygen and hydrogen.

Claims

A pulsed electromechanical power source consisting of a housing, a stator in the form of a magnetic circuit with windings, a rotor and a current collector, characterized in that an electric motor is installed in the housing, on the shaft of which there is a rotor with permanent magnets installed along the stator winding magnetic circuit, which is rigidly connected to the housing, moreover, the magnets are located opposite each other with the possibility of ensuring penetration by the magnetic lines of force of the stator winding, while the inner surfaces of the magnets have different nominal poles, and the stator winding leads are used as a current collector.