Научно-исследовательский проект по физике "Использование физического явления электролиза как источника генерации газов при газовой сварке"

КГУ «Глубоковский технический колледж» управления образования ВКО

Научно-исследовательский проект по физике

«Использование физического явления электролиза как источника генерации газов при газовой сварке»

г.Усть-Каменогорск

2012 год

Оглавление

 Введение

1.     Основная часть

1.1.  Понятие процесса электролиза

1.2.  Конструкции электролизеров

1.3.  Использование О2 и Н2 в сварочном производстве

2.     Практическая часть

2.1.  Описание процесса изготовления

2.2.  Описание процесса настройки

2.3.  Достоинства и недостатки

Заключение

Список используемой литературы

Введение

С электропроводностью растворов солей в  воде  (электролитов)  связано очень многое в нашей жизни. С первого удара сердца («живое» электричество  в теле человека, на 80% состоящем из воды) до автомобилей на улице, плееров  и мобильных   телефонов   (неотъемлемой   частью   этих   устройств   являются «батарейки» – электрохимические элементы питания и различные  аккумуляторы  – от свинцово-кислотных в автомобилях  до  литий - полимерных  в  самых  дорогих мобильных телефонах).  В  огромных,  дымящихся  ядовитыми  парами  чанах  из расплавленного  при  огромной  температуре  боксита  электролизом   получают алюминий – «крылатый» металл для самолётов и банок для «Фанты».  Все  вокруг – от хромированной решетки радиатора иномарки  до  посеребрённой  серёжки  в ухе  когда-либо  сталкивалось   с   раствором   или   расплавом   солей,   а, следовательно, и с электротоком в  жидкостях.  Не  зря  это  явление  изучает целая наука – электрохимия.  Но  нас  сейчас  больше  интересуют  физические основы этого явления.

Я выбрал эту тему по причине того что я хочу понять, возможно ли практическое  использование электролиза в сварочном производстве.

Цель проекта: целесообразность использования электролизного генератора горючего газа при проведении сварочных работ.

Задачи проекта:

1.Проверить возможность изготовления электролизёра в условиях учебной мастерской;

2.Убедится в том, что мощность пламени электролизной горелки достаточно для проведения сварочных  процессов.

1. Основная часть

1.1 Понятие процесса электролиза

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества.

Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением веществ на электродах. Это явление получило название электролиза.

Первый закон электролиза. Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М. Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе. Масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду q, прошедшему через электролит: m=kq=kIt.

Для моего проекта достаточно, что при электролизе водного раствора щёлочи на электродах будет выделятся водород на одном электроде и кислород на другом.

NaOH ↔ Na+ + OH−

K(-): 2H2O + 2e = H2 + 2OH−

A(+): 2H2O — 4e = O2 + 4Н+

Вывод: 2H2O (электролиз) → 2H2 + O2

1.2  Конструкции электролизеров

Электролизеры для разложения воды отличаются по характеру подключения к источнику питания: монополярные и биполярные электролизеры. Монополярный электролизер состоит из одной электролитической  ячейки с электродами одной полярности, каждый из которых может состоять из нескольких элементов, включенных параллельно в цепь тока. Биполярный электролизер имеет большое число ячеек (до 100-160), включенных последовательно в цепь тока, причем каждый электрод, за исключением двух крайних, работает одной стороной как катод, а другой как анод. Монополярные электролизеры обычно рассчитаны на большой ток и малые напряжения, биполярные - на сравнительно небольшой ток и высокие напряжения.

Мной был выбран биполярный электролизер по причине конструктивной простоты и минимального расхода металла. В  монополярном электролизере нужно пластины одноименных электродов соединять проводниками, а в биполярном не надо, связь осуществляется через электролит. В  монополярном электролизере каждая пластина является или катодом или анодом, а в биполярном катод и анод только крайние пластины, а промежуточные являются одновременно и катодом и анодом, что почти в 2 раза позволяет увеличить количество электролизных ячеек. Это выгодно скажется на габаритах генератора.

1.3  Использование О2 и Н2 в сварочном производстве

Объем применения в сварке электролизного горючего  газа ничтожно мал. В 70-80 гг. исследования, проведенные специалистами Института электросварки им. Е. О. Патона, Киевского политехнического института и ряда других организаций в СССР и за рубежом, показали, что вместо ацетилена можно использовать водород (из баллонов). При этом производительность и качество сварки углеродистых сталей и многих других сплавов могут быть такими же, как при работе с ацетиленом.

Давно известно, что тепловые характеристики водородно-кислородного пламени позволяют сваривать, резать, паять, плавить большинство металлов, любое стекло и керамику. По температуре оно такое же, как ацетиленокислородное, а увеличение расхода водородно-кислородной смеси в 1,7-2,0 раза по сравнению с ацетиленокислородной позволяет обеспечить такую же скорость локального нагрева металла до температуры плавления. Но ацетиленокислородное пламя является восстановительным по отношению к жидкому железу, а водородно-кислородное — окислительным. Таким образом, технологические ограничения на применение водородно-кислородной смеси при сварке не были сняты, поэтому объем применения водорода для сварки все еще остается мизерным. Причина: до последнего времени не было пригодного для сварки источника водорода. Баллоны тут не годятся: их потребуется в 3-5 раз больше, чем при работе на ацетилене и кислороде. Это явно нерентабельно. Но там, где есть электроэнергия, источником водорода и кислорода может быть обычная вода. При электролизе воды получаются сразу и горючий газ (водород), и окислитель (кислород), к тому же в оптимальном соотношении. Значит, если сделать электролизер, который можно доставлять к месту сварки, то можно подавать газы из него прямо в горелку и обходиться без баллонов. Встает вопрос, как окислительное пламя превратить в нейтральное. Этого можно достигнуть, если пропускать электролизный газ через любой легкоиспаряющийся жидкий углеводород – бензин, бензол и т.д., которые можно поместить в предохранительный затвор.

2. Практическая часть

2.1  Описание процесса изготовления

   Изготавливаемый мною электролизер относится к биполярным, имеет 9 электролитических ячеек - пластин, включенных последовательно в цепь постоянного тока. Каждый электрод, за исключением двух крайних, работает одной стороной как катод, другой – как анод. Этот электролизер отличается от описанных ранее тем, что в процессе электролиза полученные газы не разделяются, а в смешанном виде поступают в горелку.

Для боковин электролизера использовано толстое дерево, толщиной 20-25 мм. Этот материал легко обрабатывается, химически стоек к действию электролита после покрытия лаком и позволяет крепить остальное оборудование, чтобы при необходимости добавлять через наливное отверстие дистиллированную воду.

Пластины можно изготовить из листового металла (нержавеющая сталь, кровельное или трансформаторное железо) толщиной 0,6-0,8 мм. Для удобства сборки в пластинах высверлены круглые отверстия для прохода газов и электролита, резиновые кольца уплотнения находятся вокруг них образуя внутреннюю полость электролизера.

Крайние электроды отличаются от остальных. Одна из пластин служит только катодом, другая – анодом. В одной из пластин высверлено отверстие для заливной горловины, в другой для отбора газов.

Кольца, предназначенные для герметизации внутренней полости и электрической изоляции пластин, вырезаются из листовой масло-бензостойкой или кислотоупорной резины.

Четыре стальные шпильки M5, соединяющие детали, изолированы кембриком 10 мм и пропущены в соответствующие отверстия боковин 6 мм.

Количество пластин в батарее — 9. Оно определяется параметрами блока электропитания: его мощностью и максимальным напряжением — из расчета 1,7-2 В на пластину. Потребляемый ток зависит от количества задействованных пластин (чем их меньше, тем ток больше) и от концентрации раствора щелочи. В более концентрированном растворе ток меньше, но лучше применять 4-8%-ный раствор — при электролизе он не так пенится.

Контактные клеммы вырезаются для первых двух и двух  последних пластин. Стандартное зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов, подключенное на 7 пластин, при напряжении 12 В и токе около 5 А обеспечивает необходимую производительность горючей смеси для форсунки — иглы с внутренним диаметром 0,6 мм. Надежным заслоном от распространения пламени по подводящей трубке внутрь электролизера является простейший водяной затвор, который сделан из стекла - банки. Достоинства: легкость замены, химическая стойкость и прозрачность, позволяющая контролировать уровень жидкости в водяном затворе и обогатителе. Промежуточная емкость исключает возможность смешивания электролита и состава водяного затвора в режимах интенсивной работы или под действием разряжения, возникающего при выключении электропитания. А чтобы этого избежать наверняка, по окончании работы следует сразу же отсоединять трубку от электролизёра. Штуцеры емкостей сделаны из стальных трубок 4 мм, устанавливаются в крышке банок на гайках. Через них же осуществляется заливка состава водяного затвора и топлива в обогатитель.

Соединив короткой полихлорвиниловой трубкой 5 мм электролизер с водяным затвором, последнюю — с обогатителем, а его выходной штуцер более длинной трубкой — с форсункой-иглой, получим вполне безопасный и работоспособный аппарат газовой сварки на необычном топливе – воде. В качестве горелки можно использовать медицинский шприц с иглой. Внутрь рукоятки (шприца) помещается огнегасительная набивка — латунная сетка, свернутая в спираль или медная проволока, сложенная в пучок – главное чтобы создавался лабиринт,  который будет разбивать, и гасить пламя, проскакивающее внутрь горелки.

2.2  Описание процесса настройки

В процессе настройки натолкнулся на следующие факты: при работе электролизера греется электролит и повышается температура полученных газов, поэтому сильнее испаряется топливо - смесь самопроизвольно обогащается до восстановительного типа пламени. Поэтому приходится делать перерывы в работе для остывания электролизера.

Очень длинное и узкое пламя требует привыкания сварщика к специфике работ. Пламя не такое мощное, как ацетиленовое и требует разделки кромок  стали уже с 3 мм толщины. Но зато прекрасно подходит для сварки тонкого металла и не перегревает металл в околошовной зоне.

 Достоинства использование явления электролиза водного раствора щелочи (КОН или NаОН):

- все расходные материалы являются негорючими и пожаробезопасными;

- все расходные материалы не являются дефицитными или труднодоступными;

- полученный горючий газ имеет достаточно высокую температуру пламени;

- продукты сгорания газа являются полностью экологичными, т. к. образуются пары воды, которые не отравляют ни сварщика, ни окружающей среды;

- все расходные материалы являются недорогими.

Конечно, имеются и недостатки:

- установка работает в районах имеющих централизованное электроснабжение;

- для питания установки необходим выпрямитель для зарядки аккумуляторов;

- серийно не выпускаются горелки для сварки гидроксгазом;

- водородное пламя имеет окислительную характеристику, для придания восстановительных свойств придется в гидроксгаз добавить пары легкоиспаряющихся углеводородов.

Но при всех этих недостатках следует заметить, что газосварочный аппарат на основе такого электролизера будет очень удобен автомобилистам, спасателям, шахтерам, и другим специальностям, где на газосварочное оборудование накладывается ограничения по весу или габаритам.

Заключение

Несмотря на видимую сложность задачи, проанализировав информацию из различных источников, пришел к выводу что:

• В  условиях учебной мастерской  изготовить электролизер по данной схеме возможно, но следует его дополнить предохранительным затвором и обогатителем.
• Пламени  электролизной горелки достаточно для сварки металлов толщиной до 3 мм.

Без обогатителя и предохранительного затвора электролизёр будет давать только окислительный тип пламени, что отрицательно скажется на качестве сварки.

Таким образом, я считаю, что поставленные цели и задачи проекта достигнуты.

Список используемых источников

1. Глинка Н.Л.Общая химия: - Л.: Химия 1985.-704с. Под ред. В.А. Рабиновича.
2. Детлаф А. А., Яворский Б. М.Курс физики:  Учеб. Пособие для втузов.- М.:Высш. Шк.1989
3.  Фролов В.В.Химия: - М.: Высш. Шк., 1986.- 543с.
4. «Элементарный учебник физики под редакцией академика Г.С. Ландсберга - Том II – электричество и магнетизм». Москва, «Наука» 1972 год.
5. Моделист-конструктор, №7,1980г
6. ru.wikipedia.org/wiki/Электролиз
7. http://www.ntpo.com/patents_gas/gas_1/gas_41.shtml

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис.1 Схема монополярного электролизёра

Рис.2 Схема биполярного электролизёра

        Рис.3 Схема экспериментальной установки

Рис.4 Эскиз уплотнительной прокладки

Рис.5  Эскиз электрода