Caldeira de aquecimento a hidrogênio: dispositivo + princípio de operação + critérios de seleção

Os princípios da energia alternativa estão ganhando cada vez mais a atenção dos consumidores. Em muitos aspectos, isso é facilitado pelo aumento das tarifas das transportadoras tradicionais de energia, além de falhas periódicas no mercado de serviços.

Nessas circunstâncias, uma caldeira de aquecimento a hidrogênio é considerada um dos tipos mais promissores de dispositivos que operam com combustíveis renováveis, o gás H₂.

Antes de decidir comprar uma unidade desse tipo, é necessário familiarizar-se com o princípio de sua operação, avaliar as vantagens e desvantagens do uso do hidrogênio como combustível. Essas perguntas são estudadas por nós e são descritas em detalhes no artigo.

Além disso, identificamos os parâmetros que devem ser considerados na escolha de uma caldeira, fornecemos dicas de operação e preparamos uma visão geral dos melhores geradores de hidrogênio da fábrica. Fãs de instruções práticas caseiras para montar a unidade com suas próprias mãos.

Propriedades do hidrogênio como combustível

Como mencionado acima, o combustível para essas unidades é o hidrogênio, o gás mais leve da natureza, sem cor e odor. Entre suas vantagens, pode-se chamar uma grande quantidade de calor liberado durante a combustão de H₂ (121 MJ / kg, enquanto apenas 40 MJ / kg são liberados durante a combustão de propano).

Sob condições normais, o hidrogênio queima a uma temperatura de + 2000 ° C, mas com a ajuda de um catalisador pode ser reduzido a + 300 ° C. Isso permite que você faça caldeiras a partir de aço econômico, e não de metais de terras raras caros.

O hidrogênio não é tóxico, o que garante a segurança de seu uso na vida cotidiana. Quando essa substância é queimada, é obtido vapor de água que melhora o microclima interno e não precisa de chaminés.

Ao usar hidrogênio, as regras de segurança devem ser rigorosamente observadas: se o gás for usado incorretamente ou em contato com uma chama aberta, poderá ocorrer uma explosão destrutiva

Entre as desvantagens estão o aumento da explosividade do hidrogênio, principalmente quando misturado ao ar ou ao oxigênio, o que leva à formação de gás detonante.

Vantagens e desvantagens das caldeiras a hidrogênio

Os pontos fortes de tais dispositivos são:

1. Amizade ambiental total. Os produtos de decomposição da água não prejudicam a atmosfera, são completamente seguros para a saúde de pessoas e animais de estimação.
2. Alto nível de eficiênciaque pode chegar a 96%. Isso é significativamente maior que a eficiência do diesel, gás natural ou carvão.
3. Economizando recursos naturais através da aplicação fontes de energia alternativas.
4. Preço baixo recebeu calorias. Há água e eletricidade suficientes para esses dispositivos.

Ao mesmo tempo, esses dispositivos têm pontos fracos.

Entre as desvantagens incluem as seguintes nuances:

1. Manutenção exigente. Para o maior grau possível de produção de H₂, é necessário substituir as placas de metal todos os anos. Além de substituir os eletrodos, um catalisador deve ser adicionado regularmente para produzir a quantidade planejada de energia. A frequência desse procedimento depende da potência e dos recursos de um modelo específico.
2. Alto custo - A instalação da fábrica custará nada menos que 35-40 mil rublos.
3. Perigo de explosão com um aumento da pressão normalizada na caldeira.
4. Deficiência do cilindro de hidrogênio - raramente são vistos à venda.
5. Escolha limitada. Como esses dispositivos de aquecimento não são muito comuns no mercado russo, nem sempre é possível encontrar rapidamente o modelo certo, bem como encontrar especialistas competentes para instalação e reparo de equipamentos.
6. A necessidade de comunicações. Para que o dispositivo funcione, é necessária uma conexão constante à fonte de alimentação para a reação de eletrólise, bem como a uma fonte de água, cuja taxa de fluxo depende da energia do dispositivo.

Note-se que os fabricantes prestam muita atenção às novas tecnologias, se esforçam para melhorar as caldeiras a hidrogênio, eliminando ou minimizando as desvantagens.

O princípio de operação da unidade de aquecimento

Devido à sua atividade, H₂ na sua forma pura, não ocorre na natureza; no entanto, é bastante simples isolá-lo da água comum por eletrólise, enquanto o oxigênio gasoso também é liberado.

Na imagem apresentada, você pode ver um diagrama esquemático do equipamento de aquecimento operando com hidrogênio, indicando todos os elementos estruturais (+)

Para que o aquecedor funcione, primeiro você precisa obter H₂. Isso ocorre em um compartimento especial reservado para que ocorra uma reação semelhante. O líquido é derramado no recipiente onde as placas de metal estão imersas.

Uma corrente elétrica de pureza especialmente selecionada é alimentada a eles, sob a influência da qual H é liberado₂ e Oh₂e também como subproduto - vapor de água.

A mistura resultante é passada através de um dispositivo especial - um separador químico, com o qual é possível isolar o hidrogênio, separando-o de outras impurezas. O gás purificado é fornecido ao queimador no qual a válvula está montada.

Obstrui o movimento de H₂ para o outro lado, o que evita uma explosão. Nesse caso, o oxigênio e o vapor de água através de outro sistema cairão em um recipiente especial.

Além disso, o hidrogênio gasoso passa através da unidade de proteção e entra na câmara de combustão. Aqui, ele reage com o gás na presença de um catalisador, como resultado do qual o calor é gerado, que entra no sistema de aquecimento doméstico através de um trocador de calor.

O vapor de água liberado na câmara através de um canal especialmente alocado é retornado ao tanque de eletrólitos, usando assim o processo de recirculação.

O ajuste de potência é realizado usando canais especialmente equipados, cujo número pode chegar a seis.Um catalisador está contido dentro de cada um desses dispositivos, de modo que quando você o liga, o processo de geração de calor é iniciado.

A corrente de gás, aquecida a uma temperatura de 40 ° C, começa a se mover para um trocador de calor localizado na câmara de combustão.

Graças às estruturas separadas, os canais podem agir independentemente um do outro, o que permite incluir apenas parte deles.

O processo de produção de hidrogênio em aparelhos modernos de eletrólise é totalmente automatizado. O único processo manual é encher o sistema com água.

Os modelos modernos também são equipados com vários dispositivos, por exemplo, indicadores de nível de água e sensores de pressão, o que lhes permite trabalhar no modo automático e responder com urgência em situações imprevistas.

Componentes de uma unidade de hidrogênio

O design de um sistema de aquecimento baseado em hidrogênio é bastante simples.

Caldeiradesempenhar o papel de um trocador de calor é o principal elemento onde o hidrogênio é produzido.

Uma caldeira a hidrogênio pode ser montada a partir dos elementos disponíveis e, para sua operação, é necessária apenas água comum ou destilada (+)

Eletrolisador - a principal parte ativa da caldeira, onde ocorre uma reação eletrolítica, levando à decomposição da água em H₂ e Oh₂. O elemento é um reservatório cheio de água, no qual são colocados eletrodos de metal com condutividade de corrente máxima.

Os fios estão conectados às placas, através das quais a eletricidade é fornecida.

Queimador - um dispositivo que contribui para o aquecimento do líquido de refrigeração no sistema de aquecimento. Localizada na câmara de combustão, é fornecida uma faísca para acendê-la.

Válvula do queimador - uma peça especial localizada na parte superior do dispositivo. Graças a este detalhe H₂, levantando-se, supera facilmente uma barreira inacessível a outras substâncias liberadas e entra diretamente no queimador.

Nas caldeiras de hidrogênio de fábrica, é fornecida uma unidade de controle. O painel exibe indicadores de tensão e corrente, um regulador de energia e alavancas para definir outros parâmetros

Pipeline - comunicações que partem da unidade e são usadas para fornecer calor a todos os cômodos da casa. Para amarrar o uso tubos de aquecimento com um diâmetro de 25-32 mm. Ao colocar, observe a regra fundamental: o diâmetro de cada ramo subsequente deve ser menor que o anterior.

Critérios de seleção do gerador

Ao decidir comprar essa técnica, é importante prestar atenção aos seguintes critérios.

Poder. Para aparelhos modernos, o valor desse indicador pode variar significativamente, o que permite escolher a melhor opção para uma casa pequena e um prédio de dois e três andares.

O consumo médio de água nos modelos modernos do gerador não é muito grande. Dentro de 24 horas, para a operação do dispositivo, serão necessários aproximadamente 5,5 litros, devido aos quais são gerados 1,2-2 litros de combustível

Número de circuitos. Em aparelhos a hidrogênio, geralmente é instalado um circuito de aquecimento. Em alguns modelos, também é fornecida uma instalação adicional do segundo circuito (aquecimento).

Consumo de eletricidade. A tecnologia de hoje torna possível obter uma excelente produção de calor usando um mínimo de eletricidade. O consumo de energia de vários tipos de geradores varia de 1,2 a 3 kW em 1 hora.

O baixo consumo de energia é alcançado devido ao fato de a caldeira a hidrogênio não funcionar continuamente, mas apenas para manter uma certa temperatura na sala.

Fonte de energia. Todas as variedades de geradores de hidrogênio podem ser divididas em duas grandes categorias: uma funciona com gás e outra com eletricidade.

Fabricante. É melhor preferir fabricantes confiáveis ​​(Itália, EUA).Você deve ter cuidado com produtos de baixa qualidade oferecidos por empresas duvidosas a preços extremamente baixos.

Dicas de operação da caldeira

Para melhorar a funcionalidade da unidade, é importante seguir as instruções anexas. Você pode melhorar a operação do dispositivo adicionando detalhes adicionais (nesse caso, você deve seguir rigorosamente as regras de segurança).

Um detector de chamas montado no queimador aumenta a segurança do sistema. Quando o fogo se apaga, o dispositivo desliga automaticamente o fluxo de gás combustível no queimador, impedindo que ele entre na sala

É possível montar sensores especiais na parte interna do trocador de calor, que permitem rastrear o aumento dos indicadores de aquecimento de água, além de complementar o design do queimador com válvulas de corte.

Basta conectá-lo diretamente ao sensor de temperaturapara que a caldeira se desligue automaticamente assim que o aquecimento atingir o valor definido.

Também é útil instalar um dispositivo de resfriamento de caldeira padronizado.

Os dispositivos de hidrogênio podem ser usados ​​não apenas como o único equipamento de aquecimento da casa, mas também combinados com outros sistemas de aquecimento. As principais usinas de calor neste caso podem operar no modo de baixa temperatura.

No caso de observância dos padrões operacionais, uma unidade movida a hidrogênio servirá por mais de uma dúzia de anos. Embora o período de garantia para esses dispositivos seja de 15 anos, na prática eles podem funcionar eficientemente por 20 a 30 anos.

O reparo de tais dispositivos não será difícil para um artesão experiente, pois o diagrama de circuito de uma caldeira a hidrogênio não é muito diferente dos análogos que operam com outros tipos de combustível.

Os 5 principais geradores de hidrogênio da fábrica

A primeira empresa a fabricar e patentear uma tecnologia de caldeira a combustível de hidrogênio foi uma empresa italiana Giacomini. Ela é especialista em dispositivos baseados em métodos ambientais de geração de energia: bombas geotérmicas, painéis solares e outros.

O H2ydroGEM é uma câmara de combustão catalítica, em cada buzina da qual existe uma substância que acelera a reação de combustão do hidrogênio. Devido a isso, o processo ocorre a uma temperatura relativamente baixa.

Atualmente, esses modelos são fabricados por empresas americanas, chinesas e européias, mas seu alcance não é muito amplo comparado às caldeiras que operam com outros tipos de combustível.

Os melhores modelos de fábrica de sistemas de hidrogênio

Entre os modelos mais populares, destacamos:

1. MegaTank100 - gerador alimentado por eletricidade da rede. Possui um sistema confiável de vários níveis de proteção contra superaquecimento e curto-circuito, que garante um trabalho seguro e produtivo. O custo do modelo depende de sua configuração.
2. STAR-2000 - uma unidade cara (> 200.000 rublos) possui excelentes características técnicas. Apesar de esse gerador consumir um mínimo de energia, é capaz de aquecer uma sala com uma área de 251-300 metros quadrados.
3. Kingkar - um dispositivo operado em rede com excelentes propriedades de trabalho. O custo do modelo é bastante alto - cerca de 100 mil rublos, mas é reembolsado pelo consumo econômico de energia.
4. H2-2 - Equipamento italiano da classe "extra" a um preço alto (cerca de 250.000 rublos). permitindo aquecer o ar em grandes espaços (a partir de 300 m³ e acima) com um consumo mínimo de eletricidade.
5. Energia livre - dispositivos de alta qualidade a um custo acessível na faixa de 15 a 35 mil rublos (o preço depende da energia e de outras características). Equipado com uma unidade de controle que automatiza muitos processos, um sensor de vários níveis para regulação de tensão e pressão.

Existem também outros modelos em diferentes categorias de preços.

Como fazer uma caldeira você mesmo

Os geradores de aquecimento têm uma construção bastante leve. Com um certo nível de habilidade, você pode monte você mesmo o dispositivo. Ao mesmo tempo, devido à explosividade da mistura de hidrogênio, esse trabalho exige extrema responsabilidade, conhecimento dos procedimentos de segurança e experiência na instalação desses dispositivos.

Com a fabricação independente do dispositivo, não será possível se livrar dos custos financeiros substanciais, pois é melhor comprar peças pré-fabricadas dos componentes. Alto risco nos leva a pensar nas configurações de fábrica para as quais os fabricantes dão garantias a longo prazo.

O processo de fabricação de uma caldeira de hidrogênio com suas próprias mãos pode ser dividido em várias etapas.

Etapa 1 – execução do desenho e preparação de materiais. Antes de tudo, projetos semelhantes devem ser encontrados na Internet para pensar em um dispositivo elétrico baseado neles que atenda a todas as condições e possibilidades.

É necessário calcular com precisão todos os indicadores e, em primeiro lugar, a potência necessária e também decidir sobre os materiais que serão utilizados para a fabricação da caldeira. As ligas ferromagnéticas são consideradas a melhor opção, mas um recipiente de aço inoxidável é bastante adequado.

Embora o aquecimento de um gerador de hidrogênio possa ter projetos diferentes, os seguintes detalhes permanecem inalterados:

• Fonte de energia de 12 volts;
• reservatório onde a estrutura será localizada;
• Controlador PWM com uma potência de pelo menos 30 A;
• vários tubos de diferentes diâmetros feitos de aço inoxidável;
• chapa de aço;
• Serra para metal;
• queimador de gás - Melhor acabado, comprado na loja.

Etapa 2 – fazendo eletrólitos. Para a fabricação de chapas, que serão equipadas com um eletrolisador, é necessário levar uma chapa de aço de espessura média. Usando uma tesoura para metal, uma serra ou outra ferramenta, ela é cortada em tiras iguais em uma quantidade de 18 ou mais peças (o número deve ser par).

No país de retorno, em cada um deles é necessário fazer furos para os parafusos necessários para manter esses elementos no eletrólito completamente imóveis.

Dividimos todas as placas em ânodos e cátodos, dependendo dessa divisão os fios são conectados a eles, respectivamente, transmitindo cargas positivas e negativas.

O uso de corrente direta é mais eficaz que o uso de corrente alternada. É melhor usar um gerador do tipo PWM como fonte.

Etapa número 3 – montagem celular. O melhor material para fazer esse elemento é o aço inoxidável. Uma construção retangular ou quadrada robusta é soldada em metal, após o que é derramada água ou uma mistura de H₂O com um catalisador, bem como placas preparadas com fiação conectada.

Etapa 4 – conexão do queimador. Um queimador está montado na parte superior do dispositivo - é melhor usar um modelo adquirido, que você pode comprar em uma loja especializada.

Etapa número 5 – instalação e conexão de um separador, necessário para a liberação de hidrogênio a partir de uma mistura de gases.

Em conclusão, é colocado um tubo ao longo do qual H₂ vai subir para o queimador, e também os elementos que removem o calor e o distribuem por toda a casa estão conectados.

Qual água é melhor - comum ou destilada

Uma das perguntas que os proprietários de caldeiras a hidrogênio costumam fazer é sobre a água usada para operar os dispositivos.

A água destilada para a operação da caldeira a hidrogênio pode ser comprada nas lojas ou configurar você mesmo sua produção, usando a instalação mais simples

De acordo com especialistas, dispositivos de fábrica ou caseiros mostram o melhor desempenho ao trabalhar com água destilada, à qual é adicionado muito pouco hidróxido de sódio (para 10 litros de H2O - uma colher de sopa).

No entanto, uma caldeira de hidrogênio também pode funcionar com sucesso com água da torneira, o principal é que ela não contém sais de metais pesados.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

No vídeo abaixo, você verá uma visão geral do modelo de uma caldeira a gás movida a hidrogênio, produzida pela famosa empresa coreana DAEWOO.

O hidrogênio não é sem razão chamado de combustível do futuro: esse gás pode se tornar um recurso quase ilimitado de combustível barato e ecológico, que pode ser usado em diferentes plantas.

Uma caldeira a combustível de hidrogênio, fabricada na fábrica ou por conta própria, criará um sistema de aquecimento autônomo. Isso ajudará a reduzir significativamente os pagamentos nos serviços habitacionais e comunitários e decidirá manter uma temperatura confortável nas salas de estar e nas salas de serviço.

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