Водородный котел отопления: особенности и преимущества

Свойства водорода как топлива

Как было сказано выше, топливом для подобных агрегатов служит водород, самый легкий в природе газ, не обладающий цветом и запахом. Среди его преимуществ можно назвать большое количество тепла, которое высвобождается при сгорании H₂ (121 МДж/кг, в то время как при горении пропана выделяется всего 40 МДж/кг).

В обычных условиях водород горит при температуре +2000° С, однако с помощью катализатора ее можно снизить до +300° С. Это позволяет изготовлять котлы из бюджетной стали, а не из дорогих редкоземельных металлов.

Водород нетоксичен, что обеспечивает безопасность его использованию в быту. При сжигании этого вещества получаются водяные пары, которые улучшают микроклимат в помещениях и не нуждаются в дымоходах.

При применении водорода следует строго соблюдать правила безопасности: при некорректном применении газа или контакте с открытым огнем может произойти разрушительный взрыв

К числу недостатков можно отнести повышенную взрывоопасность водорода, особенно, когда он смешивается с воздухом либо кислородом, что ведет к образованию гремучего газа.

Преимущества и недостатки водородных котлов

Сильными сторонами подобных устройств являются:

• Полная экологичность. Продукты разложения воды не наносят вреда атмосфере, они совершенно безопасны для здоровья людей и домашних животных.
• Высокий уровень КПД, который может достигать 96%.  Это значительно выше коэффициента полезного действия дизеля, природного газа или угля.
• Применение альтернативных источников энергии, дает возможность экономить залежи природных ресурсов, снижая их добычу.
• Невысокая цена получаемых калорий. Для подобных устройств достаточно воды и немного электричества.

В то же время у подобных устройств есть и слабые стороны. К числу минусов нужно отнести следующие нюансы:

• Для максимально высокой степени выработки H₂, необходимо каждый год заменять металлические пластины.
• Помимо замены электродов, для производства запланированного количества энергии необходимо регулярно добавлять катализатор. Частота этой процедуры зависит от мощности, а также от особенностей определенной модели.
• Оборудование имеет достаточно высокую стоимость: заводская установка обойдется не менее, чем в 35-40 тысяч рублей.
• При повышении нормированного давления в котле создается возможность взрыва.
• Водородные баллоны достаточно редко можно встретить в продаже.
• Поскольку подобные отопительные приборы не слишком распространены на российском рынке, не всегда можно быстро найти подходящую модель, а также отыскать компетентных специалистов для монтажа и ремонта оборудования.
• Для работы устройства необходимо постоянное подключение к электропитанию для осуществления реакции электролиза, а также к источнику воды, расход которой зависит от мощности прибора.

Необходимо упомянуть о том, что производители уделяют большое внимание новым технологиям, стремятся усовершенствовать водородные котлы, устраняя или минимизируя недостатки

Особенности водородного отопления

Впервые отопление дома на водороде было разработано итальянскими изобретателями. Созданный ими прибор практически не создавал шума и не выбрасывал в атмосферу вредные вещества. При этом температура внутри котлов была невысокой, и оборудование можно было делать не из чугуна или жаропрочной стали, а из обычного металла и даже пластика.

«Классическим», низкотемпературным вариантом отопления на водороде является выделение тепла в процессе образования воды из водорода и кислорода. Хотя существует и методика, предусматривающая обратный процесс – расщепление водных молекул для создания водородного топлива, сгорающего в котлах.

Котлам, работающим на водороде, не нужна специальная система отвода в атмосферу продуктов сгорания. Ведь в процессе выделяется только пар, безвредный для окружающей среды. А получение сырья практически не представляет особой проблемы, в отличие от таких энергоносителей, как газ, дизтопливо и пеллеты.

Расходы при использовании отопления на водороде будут идти только на электроэнергию для генератора.

Преимущества и недостатки

Распространению системы водородного отопления способствует целый ряд достоинств такого метода:

1. Экологическая чистота выбросов.
2. Работа без применения огня (только для обычных низкотемпературных систем). Так как тепло получается не при сгорании, а в результате химической реакции. Соединение водорода и кислорода приводит к получению воды, а выделившаяся при этом энергия идет в теплообменник. Температура теплоносителя при этом не превышает 40 градусов, что является практически идеальным режимом для системы «теплых полов».
3. Использование водородного топлива экономит средства владельца частного дома.

Единственный более выгодный способ в плане эксплуатации – газовое отопление, далеко не всегда доступное для загородного жилья.

Правда, имеются у методики и недостатки. Во-первых, водород является достаточно взрывоопасным и, за счет этого, трудно транспортируемым веществом, хотя эта проблема существует только для низкотемпературного варианта.

Во-вторых, специалистов, способных на правильную установку таких котлов и сертификацию водородных баллонов, в нашей стране немного.

Инструкция по изготовлению

Первый этап. Для начала берем лист стали и размещаем его на ровной поверхности. Из листа указанных выше размеров (0,5х0,5 м) должно получиться 16 прямоугольников для будущей горелки на водороде, вырезаем их болгаркой.

Второй этап. С обратной стороны пластин просверливаем отверстия для болта. Если бы мы планировали сделать «сухой» электролизер, то просверлили отверстия и снизу, но в данном случае этого делать не надо. Дело в том, что «сухая» конструкция порядком сложнее, да и полезная площадь пластин в ней использовалась бы не на 100%. Мы же сделаем «мокрый» электролизер – пластины полностью погрузятся в электролит, а в реакции будет участвовать вся их площадь.

Энергия воды

Третий этап.Принцип работы описываемой горелки основывается на следующем: электроток, проходя через погруженные в электролит пластины, приведет к тому, что вода (она должна входить в состав электролита) разложится на кислород (О) и водород (Н). Следовательно, мы должны располагать одновременно двумя пластинами – катодом и анодом.

С увеличением площади этих пластин увеличивается объем газа, поэтому в данном случае используем по восемь штук на катод и анод, соответственно.

Каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома

Четвертый этап. Далее нам предстоит установить пластины в пластиковый контейнер так, чтобы они чередовались: плюс, минус, плюс, минус и т. д. Для изоляции пластин используем куски прозрачной трубки (мы купили ее целых 10 м, поэтому запас есть).

Нарезаем из трубки небольшие кольца, разрезаем их и получаем полоски толщиной примерно 1 мм. Это идеальное расстояние, чтобы водород в конструкции эффективно генерировался.

Пятый этап. Пластины крепим друг к другу с помощью шайб. Делаем это следующим образом: надеваем шайбу на болт, затем пластину, после нее три шайбы, еще одну пластину, опять три шайбы и т. д. Восемь штук вешаем на катод, восемь – на анод.

Далее затягиваем гайки и изолируем пластины посредством нарезанных ранее полосок.

Шестой этап. Смотрим, куда именно в контейнере упираются болты, просверливаем в том месте отверстия. Если вдруг болты не помещаются в контейнер, то мы спиливаем их до требуемой длины. Затем вставляем болты в отверстия, надеваем на них шайбы и зажимаем гайками – для лучшей герметичности.

Далее проделываем дыру в крышке для штуцера, вкручиваем сам штуцер (желательно намазав место соединения силиконовым герметиком). Дуем в штуцер, чтобы проверить герметичность крышки. Если воздух все же выходит из-под нее, то промазываем и это соединение герметиком.

Седьмой этап. По окончании сборки тестируем готовый генератор. Для этого подключаем к нему любой источник, заполняем контейнер водой и закрываем крышку. Далее на штуцер надеваем шланг, который опускаем в емкость с водой (чтобы увидеть пузырьки воздуха). Если источник недостаточно мощный, то их в емкости не будет, но вот в электролизере они появятся обязательно.

Далее нам нужно повысить интенсивность выхода газа посредством увеличения напряжения в электролите. Здесь стоит отметить, что вода в чистом виде не является проводником – ток проходит через нее благодаря имеющимся в ней примесям и соли. Мы же разбавим в воде немного щелочи (к примеру, гидроксид натрия отлично подходит – в магазинах он продается в виде чистящего средства «Крот»).

Техника безопасности и особенности эксплуатации

Отопительный котел на водороде нужно правильно эксплуатировать.

В ходе его использования придерживайтесь следующих правил:

• Нельзя самостоятельно модернизировать и переделывать водородное нагревательное оборудование. Это повышает вероятность утечки водорода. При его взаимодействии с воздухом создается взрывоопасная ситуация.
• Установите внутри теплообменника датчики температуры. Это позволит контролировать степень нагрева воды. Периодически проверяйте температуру, не допускайте перегревания теплоносителя.
• Не эксплуатируйте отопительное оборудование в режимах и условиях, которые не предусмотрены производителем. Это может привести к нежелательной цепной реакции.
• На горелочное устройство установите запорную арматуру и подключите ее к температурному датчику. Это позволит при необходимости обеспечивать охлаждение котла.
• Если давление газа в камере сгорания критически повышается, то нужно выяснить причину такого повышения, принять меры для стабилизации работы.
• Следите за подачей воды, периодически меняйте электролитный раствор.

4 Опытный образец

Перед тем как заняться переделкой существующей системы отопления в котел на воде своими руками, стоит создать пробный образец. Эта модель даст понимание работы системы в целом, а также поможет понять, стоит ли делать водородный генератор для отопления жилого дома самостоятельно. Для создания опытной модели электролизера необходимы такие составляющие:

• реактор — емкость из стекла или пластика с толстыми стенками;
• электроды из металла, которые будут опускаться в воду и подключаться к источнику питания;
• резервуар для водного раствора;
• трубка для отвода газа.

В результате реакции со стоны катода будет выделяться водород, а анода — кислород. Газы затем поступают в гидрозатвор, в котором и происходит отделение водяного пара. Гремучий газ подается из второй емкости, где и сжигается, образуя воду.

В домашних условиях конструкцию водородной печки можно воссоздать с помощью подручных материалов. Для этого понадобятся всего лишь две пластиковые емкости, десяток саморезов и медицинская капельница. Сделать подобную конструкцию не составит никакого труда, к тому же этот процесс подробно описан на любом профильном сайте, посвященном водородному отоплению. Это самая примитивная модель, поэтому производительность ее будет чрезвычайно низкой.

Важно помнить, что такая водная установка работает только с помощью постоянного тока, переменный генератор не подойдет. Также не стоит подавать слишком высокое напряжение: электролит будет активно испаряться при температуре выше 65 °C

Водородный котел

Положительные стороны и недостатки водородных систем отопления

Обвязка труб

Для каждого потребителя большое значение имеют эксплуатационные характеристики отопительного устройства. Заводские установки и водородные котлы отопления своими руками отличаются по эффективности. Можно найти несколько рабочих схем, которые под силу собрать самостоятельно. Но при этом их расчетная мощность будет отличаться от фактической, а показатель КПД зачастую не превышает 75-80%. Именно поэтому организацию водородного отопления своими руками рекомендуется делать с помощью надежных котлов или генераторов заводского производства.

Рассмотрим положительные качества отопительных приборов, у которых в качестве теплоносителя выступает водородно-кислородная смесь:

• Практически неограниченные запасы топлива. Для заправки водородного котла отопления необходима обыкновенная вода:
• Небольшое потребление электроэнергии. Для работы установки мощностью 27 кВт необходимо обеспечить максимальный объем электричества 0,3 кВт/час:
• Отсутствие вредных угарных газов. Во время сгорания водородно-кислородной смеси выделяется лишь небольшое количество водяного пара.

Специалисты знают, при работе водородного генератора для отопления, полученный газ относят к группе гремучих. Он не имеет запаха и цвета – определить его наличие и концентрацию в помещении человеку невозможно. Температура воспламенения равна 540 град, что относит его к взрывоопасным. Именно поэтому самодельные установки должны быть проверены на корректность работы.

Ограничивающим фактором в приобретении заводского генератора для отопления заводского производства является его стоимость. Наиболее популярная модель Star 1.1 мощностью 27 кВт можно приобрести за 50 тыс. руб. Также минимум раз в год необходимо выполнять замену блока катализатора, предназначенного для повышения эффективности водородного котла отопления, изготовленного даже своими руками.

В перспективе водородная система отопления в недалеком будущем составит серьезную конкуренцию традиционному. Этому будет способствовать снижение стоимости оборудования, а также повышение его КПД.

1 Характеристики водорода

Водород — это вещество с уникальными свойствами. Бесцветный и невидимый газ совершенно не имеет массы в твердом и жидком состоянии. Водород — самое распространенное вещество на планете, к тому же оно не содержит токсинов. Если смешать его с окружающим воздухом, то свойства полученной смеси будут сохраняться очень долго, а от соприкосновения с огнем произойдет воспламенение.

Ученые и инженеры относят водород к гремучим газам из-за его легковоспламеняемости. Именно поэтому его хранят в специальных герметичных баллонах из легированной стали. Несмотря на повышенную взрывоопасность, водород активно используют в разных сферах жизни человека:

• в химической промышленности для производства аммиака, метилового спирта, хлороводорода и соляной кислоты;
• в пищевой промышленности для изготовления маргарина из твердых растительных жиров;
• как ракетное топливо;
• для восстановления металлов из оксидов, например, вольфрама;
• для сварки тугоплавких металлов;
• для обогрева жилых домов.

Отрицательные стороны генераторов

Правда, есть и определенные минусы применения таких генераторов. Технология добычи тепла из водорода сейчас на стадии развития, поэтому некоторых недостатков избежать не получится. В первую очередь – это труднодоступность, генераторы есть далеко не в каждом магазине. Соответственно и при поломке деталь для замены придется хорошенько поискать.

Баллоны с этим веществом не очень удобны в перевозке, также надо отметить, что при комнатной температуре водород является легким летучим газом, и работать с ним сложно. Купить такое альтернативное топливо в России сегодня непросто, а с сооружением электролиза своими руками не все справятся. Также при использовании самодельных конструкций надо учитывать, что они могут быть небезопасными, ведь гарантировать полный контроль реакции невозможно.

Но все эти недостатки будут лишь некоторое время, вскоре ученные найдут способ быстрого получения и удобной транспортировки водорода, и тогда его можно будет применять для обогрева дома на постоянной основе. Популярность генераторов такого типа постоянно растет, и из категории экзотических устройств они переходят в «инновационные».

Что такое водород и как его можно использовать для отопления дома?

Водород – бесцветный не токсичный газ, который содержится практически во всех соединениях и является самым распространенным на Земле химическим веществом. Некоторые его свойства поистине уникальны:

• водород – это самое легкое вещество, но не всегда, а только когда существует в жидком и твердом агрегатном состояниях;
• атомы водорода имеют самый маленький размер по сравнению с атомами других химических веществ;
• смешиваясь с окружающим воздухом, водород образует гремучий газ, который при комнатной температуре и в отсутствие источников зажигания может сохранять свои свойства неограниченно долго, но взрывается от малейшей искры.

Хранится и транспортируется водород в баллонах из легированной стали. Для отопления дома водородом, используют тепловую энергию, которая выделяется при взаимодействии его с кислородом. Полученный теплый пар выступает в роли теплоносителя и подается в систему.

Эксперименты с вечным поленом

Вечным поленом называют небольшой металлический бак с маленькими отверстиями для выхода водяного пара. Эту емкость заполняют водой, закручивают горловину болтом, и кладут на дно печи. Емкость разогревается до большой температуры, с нее выходит водяной пар, поступая прямо на горящие угли.

В результате, по заявлениям экспериментаторов, черная сажа в дыму пропадает. Т.е. якобы частички углерода, обычно уносимые в трубу, теперь все реагируют с кислородом. Пламя становится насыщенным с длинными языками и т.д.

Но правда замеры реального полученного тепла не проводились, замерить его в домашних условиях невозможно, но все признаки большой энергоотдачи присутствуют….

Краткая теоретическая часть

Водород, он же hydrogen, – первый элемент таблицы Менделеева – представляет собой легчайшее газообразное вещество, обладающее высокой химической активностью. При окислении (то бишь, горении) выделяет огромное количество теплоты, образуя обычную воду. Охарактеризуем свойства элемента, оформив их в виде тезисов:

1. Горение водорода – процесс экологически чистый, никаких вредных веществ не выделяется.
2. Благодаря химической активности газ в свободном виде на Земле не встречается. Зато в составе воды его запасы неиссякаемы.
3. Элемент добывается в промышленном производстве химическим способом, например, в процессе газификации (пиролиза) каменного угля. Зачастую является побочным продуктом.
4. Другой способ получения газообразного водорода – электролиз воды в присутствии катализаторов – платины и прочих дорогих сплавов.
5. Простая смесь газов hydrogen + oxygen (кислород) взрывается от малейшей искры, моментально высвобождая большое количество энергии.

Из вышесказанного напрашивается следующий вывод: 2 атома водорода легко соединяются с 1 атомом кислорода, а вот расстаются весьма неохотно. Химическая реакция окисления протекает с прямым выделением тепловой энергии в соответствии с формулой:

2H2 + O2 → 2H2O + Q (энергия)

Здесь кроется важный момент, который пригодится нам в дальнейшем разборе полетов: hydrogen вступает в реакцию самопроизвольно от возгорания, а теплота выделяется напрямую. Чтобы разделить молекулу воды, энергию придется затратить:

2H2O → 2H2 + O2 — Q

Это формула электролитической реакции, характеризующая процесс расщепления воды путем подведения электричества. Как это реализовать на практике и сделать генератор водорода своими руками, рассмотрим далее.

Устройство и принцип работы генератора водорода

Как это работает

Классический аппарат для выработки водорода включает в себя трубку небольшого диаметра, зачастую — с круглым сечением. Под ней расположены спецячейки с электролитом. Сами частицы алюминия располагаются в нижнем сосуде. Электролит в данном случае подходит только щелочного типа. Над подающим насосом установлен резервуар, где собирается конденсат. В некоторых моделях применяется 2 насоса. Температура контролируется прямо в ячейках.

Генератор получает газ из воды. Ее качество напрямую влияет на количество примесей в готовом продукте. Так, если в генератор попадает вода с высокой концентрацией посторонних ионов, то ей сперва предстоит пройти через деионизационный фильтр.

Вот как происходит процесс получения газа:

1. Дистиллят расщепляется на кислород (O) и водород (H) в процессе электролиза.
2. O2 поступает в питающий бак, а затем уходит в атмосферу в виде побочного продукта.
3. H2 поставляется в сепаратор, отделяется от воды, которая затем снова поступает в питающий бак.
4. Водород повторно пропускается сквозь разделяющую мембрану, которая извлекает из него остатки кислорода, а затем попадает в хроматографическое оборудование.

Метод электролиза

Как уже упоминалось выше, в мире практически нет таких же неиссякаемых энергоисточников, как водород. Не следует забывать, что Мировой океан на 2/3 состоит из этого элемента, а во всей Вселенной H2 на пару с гелием занимает наибольший объем. Но чтобы получить чистый водород, нужно расщепить воду на частицы, а сделать это не очень просто.

Ученые после многолетних ухищрений изобрели метод электролиза. Этот метод основывается на помещении в воду на близком расстоянии друг от друга двух пластин из металла, которые подсоединены к источнику большого напряжения. Далее подается питание – и большой электропотенциал фактически разрывает молекулу воды на компоненты, в результате чего высвобождается 2 атома водорода (HH) и 1 — кислорода (O).

Данный газ (HHO) был назван в честь ученого австралийского ученого Юлла Брауна, который в 1974 году запатентовал создание электролизера.

Топливная ячейка Стенли Мейера

Ученый из США Стенли Мейер изобрел такую установку, которая использовала не сильный электропотенциал, а токи определенной частоты. Молекула воды раскачивается в такт изменяющимся электрическим импульсам и входит в резонанс. Постепенно он набирает мощность, которой хватает для разделения молекулы на составляющие. Для такого воздействия нужны в десятки раз меньшие токи, чем для функционирования стандартного электролизного агрегата.

Преимущества газа Брауна как источника энергии

1. Вода, из которой получают HHO, присутствует на нашей планете в огромном количестве. Соответственно, источники водорода практически неиссякаемы.
2. При сгорании газа Брауна образуется водяной пар. Его можно вновь конденсировать в жидкость и применять как сырье еще раз.
3. Сжигание HHO не приводит к выбросу каких-либо вредных веществ в атмосферу и не образует побочных продуктов, кроме воды. Можно сказать, что газ Брауна — самое экологичное топливо в мире.
4. При использовании водородного генератора выделяется водяной пар. Его количества хватает, чтобы длительное время поддерживать в помещении комфортную для человека влажность.

Особенности отопления водородом

Данный вид обогрева был разработан итальянскими инженерами. Результатом их работы стал прибор, которые не только не выделял вредные вещества в атмосферу, но и практически не создавал шума. И для изготовления котла не требовалась жаропрочная стали или чугун, поскольку температура внутри агрегата была невысокой.

Как уже было сказано выше, в результате таких химических реакций вредные вещества в атмосферу не выделяются, а потому не требуется и сложная система их отвода. Да и получение сырья в настоящее время не представляет собой такой серьезной проблемы, как раньше. Что же касается расходов, то, помимо самого топлива, это обычно еще и электроэнергия для бесперебойной работы водородного котла.

Плюсы и минусы водородного отопления дома

Подобные системы отопления в последнее время становятся все более и более популярными, благодаря таким достоинствам, как:

• Отсутствие вредных выбросов в атмосферу.
• В низкотемпературных системах нет огня, так как тепло является результатом химической реакции. При соединении кислорода и водорода получается вода и тепло, которое и передается теплообменнику. В результате чего теплоноситель не нагревается выше сорока градусов по Цельсию, что является идеальной температурой для системы «теплый пол».
• Экономичность – больше сэкономить вам позволит только использование газовых котлов, но такой вид отопления далеко не всегда доступен в сельской местности даже сейчас.
• Кроме того, это позволяет в перспективе снизить расход таких не возобновляемых ресурсов, как газ или нефть.

Но минусы у водородного отопления тоже есть:

1. Лучше всего использовать только низкотемпературные варианты таких приборов, поскольку топливо является взрывоопасным веществом.
2. Непросто пока найти высококвалифицированного специалиста для грамотной установки и обслуживания таких устройств.

Устройство и принцип работы водородной установки для отопления дома

В результате реакции водорода и кислорода получается воды и выделяется значительное количество теплоты. Для такого процесса, характеризующегося высоким КПД (более 80 процентов), требуются большие емкости. Кроме того, нужно постоянно подключение к источнику воды, роль которого обычно играет водопроводная система дома; электричество для электрохимической реакции электролиза, наличия и постоянного обновления специальных катализаторов.

Данный процесс должен сопровождаться контролем со стороны человека и соблюдением все требований безопасности. Хотя таковых и гораздо меньше, чем в случае с газовым отоплением. Обычно требуется лишь периодический визуальный контроль процесса.

Если вы хотите создать подобную систему своими руками, то вам для этого, как минимум, понадобиться:

1. водородный генератор;
2. горелка;
3. котел.

Первое устройство необходимо для электролиза – разложения воды на компоненты, с использованием электричества и катализаторов. При помощи горелки создается открытое пламя. Котел же используется как теплообменное устройство. Все эти составляющие можно приобрести в магазинах, и собрать систему самостоятельно.

Генератор водорода также можно собрать самостоятельно. Для этого потребуется источник питания, обеспечивающий силу тока от 30А, бак для расположения всех конструкций, стальные трубки, тара для дистиллированной воды. Внутрь герметичной конструкции устанавливают платины из нержавеющей стали – причем чем их больше, тем больше водорода установка будет вырабатывать (но и электроэнергии на это будет расходоваться больше).

Поступающая в емкость вода под действием электрического тока расщепляется на водород и кислород, первый и направляется в котел с горелкой. Добавим, что если использовать ШИМ-генератор (вместо сети 220В), то эффективность прибора увеличивается.

Не забывайте о том, что в системе применяется только дистиллированная вода с примесью гидроксида натрия (раствор для приготовления которого берется 1 столовая ложка вещества на 10 литров жидкости). Если дистиллят достать проблематично, то можно использовать воду из-под крана. Главное убедится, что в такой жидкости не растворены тяжелые металлы.

Как видите, если грамотно подойти к проектированию и выбору материалов, то изготовить водородный котел самостоятельно – вполне возможно.