Устройство и принцип работы водородного котла отопления

Принципы альтернативной энергетики все больше привлекают внимание потребителей. Во многом этому способствует рост тарифов на традиционные энергоносители, а также периодические сбои на рынке услуг.

В этих условиях водородный отопительный котел считается одним из наиболее перспективных типов устройств, работающих на возобновляемом топливе, которым является газ Н2.

Прежде чем принять решение о покупке такого устройства, необходимо ознакомиться с принципом его работы, рассмотреть преимущества и недостатки использования водорода в качестве топлива. Эти проблемы были изучены нами и подробно описаны в статье.

Кроме того, мы обозначили параметры, которые следует учитывать при выборе котла, дали советы по эксплуатации и составили обзор лучших водородных генераторов заводского производства. Любителям самоделок понадобится инструкция по сборке устройства своими руками.

Свойства водорода как топлива

Как было сказано выше, топливом для таких агрегатов является водород, самый легкий газ в природе, который не имеет цвета и запаха. Среди достоинств – большое количество теплоты, выделяющееся при сгорании Н2 (121 МДж/кг, тогда как при сгорании пропана выделяется всего 40 МДж/кг).

В нормальных условиях водород горит при температуре +2000°С, но с помощью катализатора его можно восстановить до +300°С. Это позволяет производить котлы из бюджетной стали, а не из дорогих редкоземельных металлов.

Водород не токсичен, что обеспечивает безопасность при повседневном использовании. При сжигании этого вещества получается водяной пар, который улучшает микроклимат в помещениях и не требует дымоходов.

При использовании водорода необходимо строго соблюдать правила безопасности: при неправильном использовании газа или при его контакте с открытым пламенем может произойти разрушительный взрыв

К недостаткам относится повышенная взрывоопасность водорода, особенно при смешивании с воздухом или кислородом, что приводит к образованию взрывоопасного газа.

Преимущества и недостатки водородных котлов

Сильные стороны этих агрегатов:

1. Полная экологичность. Продукты разложения воды не наносят вреда атмосфере, они полностью безопасны для здоровья людей и домашних животных.
2. Высокий КПД, который может достигать 96%. Это значительно выше, чем эффективность дизельного топлива, природного газа или угля.
3. Экономьте природные ресурсы за счет использования альтернативных источников энергии.
4. Низкая калорийность. Для таких устройств достаточно воды и немного электричества.

В то же время у таких устройств есть и слабые стороны.

К минусам следует отнести следующие нюансы:

1. Требования к обслуживанию. Для наибольшей степени производства H2 необходимо ежегодно заменять металлические пластины. В дополнение к замене электродов необходимо регулярно добавлять катализатор для производства запланированного количества энергии. Периодичность этой процедуры зависит от мощности, а также от особенностей конкретной модели.
2. Высокие затраты – заводская установка обойдется минимум в 35-40 тысяч рублей.
3. Опасность взрыва при увеличении номинального давления в котле.
4. Отсутствие баллонов с водородом – в продаже их можно встретить достаточно редко.
5. Ограниченный выбор. Поскольку такие обогреватели не очень распространены на российском рынке, не всегда есть возможность быстро найти подходящую модель, а также найти грамотных специалистов по установке и ремонту оборудования.
6. Потребность в общении. Работа устройства требует постоянного подключения к электросети для осуществления реакции электролиза, а также к источнику воды, расход которой зависит от мощности устройства.

Следует отметить, что производители придают большое значение новым технологиям, стремятся усовершенствовать водородные котлы, устранить или свести к минимуму недостатки.

Принцип работы отопительного агрегата

Из-за своей активности H2 не встречается в природе в чистом виде, но его достаточно легко выделить из обычной воды электролизом, также выделяется газообразный кислород.

На представленном изображении вы можете увидеть схематичное расположение водородного отопительного оборудования с указанием всех конструктивных элементов (+)

Для работы нагревателя необходимо сначала получить H2. Происходит это в специальном помещении, отведенном для возникновения такой реакции. Жидкость наливается в емкость, куда погружены металлические пластины.

К ним подводится электрический ток специально подобранной чистоты, под действием которого выделяются H2 и O2, а также водяной пар как побочный продукт.

Полученную смесь пропускают через специальное устройство – химический сепаратор, с помощью которого можно выделить водород, отделить его от других примесей. Очищенный газ подается на горелку, на которой установлен вентиль.

Это предотвращает перемещение H2 на другую сторону, предотвращая взрыв. В этом случае кислород и водяной пар будут выбрасываться через другую систему в специальный контейнер.

Затем газообразный водород проходит через блок защиты и попадает в камеру сгорания. Здесь он вступает в реакцию с газом в присутствии катализатора, в результате чего выделяется тепло, которое через теплообменник поступает в систему отопления дома.

Водяной пар, выделяющийся в камере, возвращается в резервуар с электролитом через специально предназначенный канал, используя, таким образом, процесс рециркуляции.

Регулировка тока осуществляется с помощью специально оборудованных каналов, количество которых может достигать шести. Каждое из этих устройств содержит внутри катализатор, так что процесс выделения тепла начинается при его включении.

Газовый поток, нагретый до температуры 40°С, начинает двигаться к теплообменнику, расположенному в камере сгорания.

Благодаря раздельным конструкциям каналы могут работать независимо друг от друга, что позволяет включать только часть из них.

Процесс получения водорода в современных электролизерах полностью автоматизирован. Единственный ручной процесс – залить воду в систему

Современные модели также оснащены различными устройствами, такими как индикаторы уровня воды и датчики давления, которые позволяют им работать в автоматическом режиме и быстро реагировать в непредвиденных ситуациях.

Составные части водородной установки

Конструкция водородной системы отопления достаточно проста.

Котел, играющий роль теплообменника, является основным элементом, где производится водород.

Котел на водороде можно собрать из доступных элементов, а для работы требуется только обычная или дистиллированная вода (+)

Электролизер является основной рабочей частью котла, где происходит электролитическая реакция, приводящая к расщеплению воды на H2 и O2. Элемент представляет собой емкость, наполненную водой, в которую помещены металлические электроды с максимальной проводимостью тока.

К пластинам подсоединяются провода, по которым подается ток.

Горелка – устройство, способствующее нагреву теплоносителя в системе отопления. Помещенный в камеру сгорания, подается искра для воспламенения.

Клапан горелки представляет собой специальную деталь, расположенную в верхней части агрегата. Благодаря этой детали H2, поднявшийся наверх, легко преодолевает недоступный для других выделяющихся веществ барьер и попадает прямо в горелку.

Блок управления поставляется в заводских водородных котлах. На панели расположены индикаторы напряжения и тока, регулятор тока и рычаги для установки других рабочих параметров

Трубопровод – коммуникация, которая идет от агрегата и используется для подачи тепла во все помещения дома. Для обвязки используются трубы отопления диаметром 25-32 мм. При укладке соблюдается основное правило: диаметр каждой следующей ветки должен быть меньше предыдущей.

Критерии выбора генераторов

Принимая решение о покупке такого оборудования, важно учитывать следующие критерии.

Сила. У современных бытовых приборов значение этого показателя может существенно различаться, что позволяет подобрать оптимальный вариант как для небольшого дома, так и для двух- или трехэтажного дома.

Средний расход воды в современных моделях генераторов не слишком высок. В течение 24 часов для работы устройства потребуется примерно 5,5 литров, за счет этого образуется 1,2-2 литра топлива

Количество контуров. На агрегатах, работающих на водороде, обычно устанавливается отопительный контур. В некоторых моделях также предусмотрена дополнительная установка второго (отопительного) контура.

Уровень энергопотребления. Современные технологии позволяют добиться отличных показателей нагрева при минимальном потреблении электроэнергии. Энергопотребление разных типов генераторов колеблется от 1,2 до 3 кВт в час.

Низкое энергопотребление достигается за счет того, что водородный котел работает не постоянно, а только для поддержания определенной температуры в помещении.

Источник власти. Все типы генераторов водорода можно разделить на две большие категории: одни работают на газе, другие на электричестве.

Режиссер. Лучше отдать предпочтение надежным производителям (Италия, США). Стоит опасаться некачественной продукции, предлагаемой сомнительными фирмами по крайне низким ценам.

Советы по эксплуатации котла

Для улучшения функциональности устройства важно следовать прилагаемой инструкции. Улучшить работу устройства можно, добавив больше деталей (при этом необходимо строго соблюдать правила техники безопасности).

Датчик пламени, установленный на горелке, повышает безопасность системы. При тушении пожара устройство автоматически перекрывает подачу горючего газа в горелку, тем самым предотвращая его попадание в помещение

Возможна установка внутри теплообменника специальных датчиков для контроля за увеличением показателей нагрева воды, а также дополнение конструкции горелки запорной арматурой.

Достаточно подключить его напрямую к датчику температуры, чтобы котел автоматически отключился, как только нагрев достигнет заданного значения.

Полезно также установить устройство нормированного охлаждения котла.

Водородные агрегаты можно использовать не только как единственное отопительное оборудование в доме, но и комбинировать с другими системами отопления. Основные отопительные установки в этом случае могут работать в низкотемпературном режиме.

При соблюдении норм эксплуатации устройство на водороде прослужит не один десяток лет. Хотя гарантийный срок на такие устройства составляет 15 лет, на практике они могут исправно работать 20-30 лет.

Ремонт таких устройств не составит труда опытному мастеру, так как принципиальная схема водородного котла не слишком отличается от аналогов, работающих на других видах топлива.

Топ-5 фабричных водородных генераторов

Первой компанией, которая произвела и запатентовала технологию котлов, работающих на водороде, была итальянская компания Giacomini. Специализируется на устройствах, основанных на экологических методах получения энергии: геотермальных насосах, солнечных панелях и других.

H2ydroGEM представляет собой каталитическую камеру сгорания, где каждый рог содержит вещество, ускоряющее реакцию горения водорода. В результате процесс протекает при относительно низкой температуре

В настоящее время такие модели выпускают американские, китайские, европейские компании, но их ассортимент не слишком широк по сравнению с котлами, работающими на других видах топлива.

Лучшие фабричные модели водородных систем

Среди самых популярных моделей отметим:

1. MegaTank100 — это генератор, работающий от электричества из сети. Имеет надежную многоуровневую систему защиты от перегрева и короткого замыкания, что гарантирует безопасную и продуктивную работу. Стоимость модели зависит от ее комплектации.
2. STAR-2000 – дорогой аппарат (> 200 000 руб.) имеет отличные технические характеристики. Несмотря на то, что этот генератор потребляет минимум энергии, он способен обогреть помещение площадью 251-300 кв.
3. Kingkar — это инструмент с питанием от сети и отличными характеристиками. Стоимость модели достаточно высока – около 100 тысяч рублей, но она компенсируется экономичным энергопотреблением.
4. Н2-2 – итальянское оборудование класса «экстра» при высокой цене (около 250 000 рублей) дает возможность нагревать воздух в больших помещениях (от 300 м3 и выше) с минимальным энергопотреблением.
5. Бесплатная энергия – качественные устройства по разумной цене в пределах 15-35 тысяч рублей (цена зависит от электричества и других характеристик). Оснащен блоком управления, автоматизирующим многие процессы, многоуровневым датчиком регулирования напряжения и давления.

Есть и другие модели в разных ценовых категориях.

Как сделать котел самостоятельно

Теплогенераторы имеют достаточно легкую конструкцию. При определенном уровне навыков можно собрать устройство самостоятельно. В то же время из-за взрывоопасности водородной смеси такие работы требуют предельной ответственности, знания техники безопасности и опыта монтажа подобных устройств.

При самостоятельном изготовлении устройства не получится избавиться от солидных финансовых затрат, так как часть компонентов лучше купить в готовом виде. Высокий риск заставляет задуматься о заводских установках, на которые производители дают долгосрочные гарантии

Процесс изготовления водородного котла своими руками можно разделить на несколько этапов.

Шаг №1 – выполнение чертежа и подготовка материалов. В первую очередь следует найти в Интернете аналогичные проекты, чтобы узнать на их основе устройство, которое будет соответствовать всем условиям и возможностям.

Необходимо точно рассчитать все показатели, и прежде всего необходимую мощность, а также определить материалы, которые будут использованы для изготовления котла. Лучшим вариантом считаются ферромагнитные сплавы, но вполне подойдет емкость из нержавеющей стали.

Хотя нагревательный водородный генератор может иметь разную конструкцию, неизменными остаются следующие детали:

• блок питания 12 вольт;
• резервуар, где будет располагаться конструкция;
• ШИМ-контроллер мощностью не менее 30 А;
• несколько труб разного диаметра из нержавеющей стали;
• стальная пластина;
• ножовка по металлу;
• газовая горелка – лучше готовая, купленная в магазине.

Шаг 2 – приготовить электролиты. Для изготовления пластин, которыми будет комплектоваться электролизер, нужно взять стальную пластину средней толщины. С помощью ножниц по металлу, ножовки или другого инструмента его нарезают на равные полосы в количестве 18 и более штук (количество должно быть четным).

С противоположной стороны в каждом из них необходимо просверлить отверстия под болты, которые будут необходимы для удержания этих элементов в электролите в полной неподвижности.

Все пластины делим на аноды и катоды, в зависимости от этого деления к ним подключаются провода, соответственно передающие положительный и отрицательный заряды.

использование постоянного тока более эффективно, чем использование переменного тока. В качестве источника лучше всего использовать генератор типа ШИМ.

Шаг №3 – установка электролизера. Лучшим материалом для изготовления этого элемента является нержавеющая сталь. Из металла сваривается надежная конструкция прямоугольной или квадратной формы, после чего в нее заливается вода или смесь Н2О с катализатором, и укладываются подготовленные пластины с соединенными проводами.

Шаг №4 – подключаем горелку. Сверху на устройство монтируется горелка – лучше использовать покупную модель, которую можно приобрести в специализированном магазине.

Этап №5 – установка и подключение сепаратора, необходимого для выделения водорода из смеси газов.

Наконец, прокладывается труба для подъема Н2 к горелке, и она соединяется с элементами, отводящими тепло и распределяющими его по всему дому.

Какая вода лучше — обычная или дистиллированная

Одним из вопросов, который часто задают владельцы водородных котлов, является вода, используемая для питания агрегатов.

Дистиллированную воду для работы водородного котла можно приобрести в магазинах или настроить на ее получение самостоятельно с помощью несложной установки

По мнению специалистов, заводские или самодельные устройства показывают наилучшие показатели при работе с дистиллированной водой, в которую добавлено очень мало едкого натра (одна столовая ложка на 10 литров H2O).

Однако водородный котел может успешно работать и на водопроводной воде, главное, чтобы она не содержала солей тяжелых металлов.

Выводы и полезное видео по теме

В видео ниже вы увидите обзор модели газового котла на водородном топливе производства известной корейской компании DAEWOO.

Водород недаром называют топливом будущего: этот газ может стать практически неограниченным ресурсом дешевого, экологически чистого топлива, которое можно использовать в различных установках.

Котел на водородном топливе, изготовленный в заводских условиях или самостоятельно, позволяет создать автономную систему отопления. Это поможет значительно снизить платежи в ЖКХ, решит проблему поддержания комфортной температуры в жилых комнатах и ​​прачечных.

Есть ли у вас опыт использования водорода в качестве топлива? Хотите задать вопрос по теме или рассказать о своем изобретении? Комментируйте публикации, участвуйте в обсуждениях и оставляйте фотографии своих самоделок. Блок обратной связи находится ниже.