Caldeira de aquecimento a hidrogénio: dispositivo + princípio de funcionamento + critérios de seleção

Os princípios das energias alternativas ganham cada vez mais a atenção dos consumidores.Isto deve-se em grande parte ao aumento das tarifas sobre os recursos energéticos tradicionais, bem como às perturbações periódicas no mercado de serviços.

Nestas circunstâncias, uma caldeira de aquecimento a hidrogénio é considerada um dos tipos mais promissores de dispositivos que funcionam com combustível renovável, que é o gás H₂.

Antes de decidir adquirir tal unidade, você precisa se familiarizar com o princípio de seu funcionamento e avaliar as vantagens e desvantagens do uso do hidrogênio como combustível. Essas questões foram estudadas por nós e descritas detalhadamente no artigo.

Além disso, identificamos parâmetros que devem ser levados em consideração na escolha de uma caldeira, fornecemos dicas de operação e preparamos uma análise dos melhores geradores de hidrogênio de fábrica. Os fãs de produtos caseiros acharão úteis as instruções para montar o aparelho com as próprias mãos.

Propriedades do hidrogênio como combustível

Conforme mencionado acima, o combustível para tais unidades é o hidrogênio, o gás mais leve da natureza, incolor e inodoro. Entre suas vantagens está a grande quantidade de calor que é liberada durante a combustão do H₂ (121 MJ/kg, enquanto a combustão de propano libera apenas 40 MJ/kg).

Em condições normais, o hidrogénio queima a uma temperatura de +2000°C, mas com a ajuda de um catalisador pode ser reduzido para +300°C.Isso permite que as caldeiras sejam feitas de aço barato, em vez de metais caros de terras raras.

O hidrogênio não é tóxico, o que o torna seguro para uso na vida cotidiana. Quando esta substância é queimada, é produzido vapor de água, o que melhora o microclima interior e não necessita de chaminés.

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

As desvantagens incluem o aumento da explosividade do hidrogênio, especialmente quando misturado com ar ou oxigênio, o que leva à formação de gás detonante.

Vantagens e desvantagens das caldeiras de hidrogênio

Os pontos fortes de tais dispositivos são:

1. Totalmente ecológico. Os produtos da decomposição da água não agridem a atmosfera, são totalmente seguros para a saúde de pessoas e animais de estimação.
2. Alto nível de eficiência, que pode chegar a 96%. Isto é significativamente superior à eficiência do diesel, do gás natural ou do carvão.
3. Economizando recursos naturais através do uso fontes de energia alternativa.
4. Preço baixo calorias recebidas. Para tais dispositivos bastam água e um pouco de eletricidade.

Ao mesmo tempo, esses dispositivos também apresentam pontos fracos.

As desvantagens incluem as seguintes nuances:

1. Requisitos de manutenção. Para a maior produção de H possível₂, as placas metálicas devem ser substituídas todos os anos. Além de substituir os eletrodos, um catalisador deve ser adicionado regularmente para produzir a quantidade planejada de energia. A frequência deste procedimento depende da potência, bem como das características de um determinado modelo.
2. Alto custo — a instalação de fábrica custará pelo menos 35-40 mil rublos.
3. Perigo de explosão quando a pressão normalizada na caldeira aumenta.
4. Escassez de cilindros de hidrogênio - Raramente são encontrados à venda.
5. Escolha limitada. Como tais dispositivos de aquecimento não são muito comuns no mercado russo, nem sempre é possível encontrar rapidamente um modelo adequado, bem como encontrar especialistas competentes para instalação e reparo de equipamentos.
6. A necessidade de comunicações. Para operar o aparelho, é necessária uma conexão constante à fonte de alimentação para realizar a reação de eletrólise, bem como a uma fonte de água, cujo fluxo depende da potência do aparelho.

É necessário mencionar que os fabricantes prestam muita atenção às novas tecnologias e se esforçam para melhorar as caldeiras a hidrogênio, eliminando ou minimizando desvantagens.

Princípio de funcionamento da unidade de aquecimento

Devido à sua atividade H₂ Não é encontrado na natureza em sua forma pura, mas é bastante fácil isolá-lo da água comum por eletrólise, que também libera gás oxigênio.

Na imagem apresentada você pode ver um projeto esquemático de equipamentos de aquecimento operando a hidrogênio, indicando todos os elementos estruturais (+)

Para que o dispositivo de aquecimento funcione, primeiro é necessário obter H₂. Isso acontece em um compartimento especial reservado para tal reação. O líquido é despejado em um recipiente no qual as placas de metal são imersas.

Eles são alimentados com uma corrente elétrica de pureza especialmente selecionada, sob a influência da qual H é liberado₂ e sobre₂, bem como vapor de água como subproduto.

A mistura resultante passa por 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 está instalada uma válvula.

Impede o movimento H₂ na outra direção, o que evita uma explosão. Nesse caso, o oxigênio e o vapor d'água são liberados em um recipiente especial por meio de outro sistema.

Em seguida, o gás hidrogênio passa pela unidade de proteção e entra na câmara de combustão. Aqui reage com o gás na presença de um catalisador, resultando na formação de calor, que entra no sistema de aquecimento doméstico através de um trocador de calor.

O vapor d'água liberado na câmara é retornado através de um canal especialmente designado para o reservatório com o eletrólito, utilizando assim o processo de reciclagem.

O ajuste de potência é realizado por meio de canais especialmente equipados, cujo número pode chegar a seis. Cada um desses dispositivos contém em seu interior um catalisador, por meio do qual, ao ser ligado, inicia-se o processo de geração de calor.

O fluxo de gás, aquecido a uma temperatura de 40°C, começa a se mover em direção ao trocador de calor localizado na câmara de combustão.

Graças aos designs separados, os canais podem operar independentemente uns dos outros, o que permite ativar apenas parte deles.

O processo de produção de hidrogênio em dispositivos modernos de eletrólise é totalmente automatizado. O único processo manual é despejar água no sistema

Os modelos modernos também estão equipados com diversos dispositivos, por exemplo, indicadores de nível de água e sensores de pressão, o que lhes permite funcionar de forma automática e responder com urgência em situações imprevistas.

Componentes de uma planta de hidrogênio

O projeto de um sistema de aquecimento movido a hidrogênio é bastante simples.

Caldeira, que desempenha o papel de trocador de calor, é o principal elemento onde ocorre a produção de hidrogênio.

Uma caldeira a hidrogénio pode ser montada a partir dos elementos disponíveis, sendo necessária apenas água comum ou destilada para o seu funcionamento (+)

Eletrolisador - a principal parte ativa da caldeira, onde ocorre a reação eletrolítica, levando à decomposição da água em H₂ e sobre₂. O elemento é um reservatório cheio de água no qual são colocados eletrodos de metal com máxima condutividade de corrente.

As placas são conectadas a fios através dos quais a eletricidade é fornecida.

Queimador - um dispositivo que ajuda a aquecer o refrigerante 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, subindo até o topo, supera facilmente a barreira inacessível a outras substâncias liberadas e entra diretamente no queimador.

As caldeiras de hidrogênio de fábrica são equipadas com uma unidade de controle. O painel exibe indicadores de tensão e corrente, um regulador de potência e alavancas para definir outros parâmetros operacionais

Gasoduto - comunicações que se estendem desde a unidade e servem para fornecer calor a todas as divisões da casa. Usado para cintar tubos de aquecimento diâmetro 25-32 mm. No assentamento, observa-se a regra fundamental: o diâmetro de cada ramo subsequente deve ser menor que o do anterior.

Critérios de seleção do gerador

Ao decidir adquirir esses equipamentos, é importante atentar para os seguintes critérios.

Poder. Com aparelhos modernos, o valor deste indicador pode variar significativamente, o que permite escolher a melhor opção tanto para uma casa pequena quanto para um prédio de dois ou três andares.

O consumo médio de água nos modelos modernos de geradores não é muito alto. Em 24 horas, o aparelho precisará de aproximadamente 5,5 litros para funcionar, o que gera 1,2-2 litros de combustível

Número de circuitos. Em dispositivos que funcionam com hidrogênio, geralmente é instalado um circuito de aquecimento. Alguns modelos também fornecem instalação adicional de um segundo circuito (aquecimento).

Nível de consumo de eletricidade. As tecnologias atuais permitem alcançar um excelente desempenho térmico utilizando um mínimo de eletricidade. O consumo de energia de diferentes tipos de geradores varia de 1,2 a 3 kW por 1 hora.

O baixo consumo de energia é conseguido devido ao facto da caldeira de hidrogénio não funcionar continuamente, mas apenas para manter uma determinada temperatura na divisão.

Fonte de energia. Todos os tipos de geradores de hidrogênio podem ser divididos em duas grandes categorias: um funciona com gás e o outro funciona com eletricidade.

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

Dicas para usar a caldeira

Para melhorar a funcionalidade da unidade, é importante seguir as instruções incluídas. Você pode melhorar o funcionamento do dispositivo adicionando peças adicionais (você deve seguir rigorosamente as regras de segurança).

Um sensor de chama instalado no queimador aumenta a segurança do sistema.Quando o fogo se apaga, o dispositivo interrompe automaticamente o fluxo de gás inflamável para o queimador, evitando assim que ele entre na sala

Você pode instalar sensores especiais no interior do trocador de calor para monitorar o aumento nas taxas de aquecimento de água, bem como complementar o projeto do queimador com válvulas de corte.

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

Também é útil instalar um dispositivo para resfriamento normalizado da caldeira.

Os dispositivos a hidrogénio podem ser utilizados não apenas como o único equipamento de aquecimento da casa, mas também em combinação com outros sistemas de aquecimento. Neste caso, as unidades de aquecimento principais podem funcionar em modo de baixa temperatura.

Se os padrões operacionais forem observados, uma unidade movida a hidrogênio servirá por décadas. Embora o período de garantia para esses dispositivos seja de 15 anos, na prática eles podem funcionar com eficiência por 20 a 30 anos.

Reparar tais dispositivos não será difícil para um técnico experiente, uma vez que o projeto básico de uma caldeira a hidrogênio não é muito diferente dos análogos que operam com outros tipos de combustível.

Os 5 principais geradores de hidrogênio de fábrica

A primeira empresa a fabricar e patentear a tecnologia de fabricação de uma caldeira a combustível de hidrogênio foi uma empresa italiana Giacomini. É especializada em dispositivos baseados em métodos de geração de energia ecologicamente corretos: bombas geotérmicas, painéis solares e outros.

H2ydroGEM é uma câmara de combustão catalítica, cada chifre contém uma substância que acelera a reação de combustão do hidrogênio.Devido a isso, o processo ocorre a uma temperatura relativamente baixa

Atualmente, modelos semelhantes são fabricados por empresas americanas, chinesas e europeias, mas sua gama não é muito ampla se comparada 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 – um gerador que funciona com eletricidade da rede. Possui um sistema confiável de proteção multinível contra superaquecimento e curto-circuito, o que garante uma operação segura e produtiva. O custo do modelo depende de sua configuração.
2. ESTRELA-2000 – uma unidade cara (>200.000 rublos) possui excelentes características técnicas. Apesar de este gerador consumir energia mínima, é capaz de aquecer uma sala de 251 a 300 metros quadrados.
3. Kingkar – um dispositivo alimentado pela rede elétrica com excelentes propriedades de desempenho. O custo do modelo é bastante alto - cerca de 100 mil rublos, mas é compensado pelo consumo econômico de energia.
4. H2-2 – Equipamento italiano de classe “extra” a um preço alto (aproximadamente 250.000 rublos). permitindo aquecer o ar em grandes espaços (de 300 m³ e acima) com consumo mínimo de eletricidade.
5. Energia livre – dispositivos de alta qualidade a um preço acessível na faixa de 15 a 35 mil rublos (o preço depende da potência e outras características). Equipado com uma unidade de controle que automatiza diversos processos, um sensor multinível de regulação de tensão e pressão.

Existem também outros modelos em diferentes categorias de preços.

Como fazer você mesmo uma caldeira

Os geradores de aquecimento têm um design bastante leve. Com um certo nível de habilidade, você pode monte o dispositivo você mesmo. Ao mesmo tempo, devido à explosividade da mistura de hidrogênio, tal trabalho exige extrema responsabilidade, conhecimento das precauções de segurança e experiência na instalação de tais dispositivos.

Se você mesmo fabricar o aparelho, não conseguirá se livrar de custos financeiros significativos, pois é melhor adquirir alguns dos componentes prontos. Alto risco faz você pensar em instalações de fábrica, para as quais os fabricantes oferecem garantias de longo prazo

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

Passo 1 — execução do desenho e preparação de materiais. Em primeiro lugar, você deve encontrar projetos semelhantes na Internet para usá-los para pensar em um dispositivo que atenda a todas as condições e capacidades.

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

Embora os geradores de aquecimento de hidrogénio possam ter designs diferentes, os seguintes detalhes permanecem inalterados:

• Fonte de alimentação de 12 volts;
• o tanque onde ficará a estrutura;
• Controlador PWM com potência de pelo menos 30 A;
• vários tubos de diferentes diâmetros em aço inoxidável;
• chapa de aço;
• serra para metal;
• queimador de gás - melhor preparado, adquirido em loja.

Passo 2 — criação de eletrólitos. Para fazer as placas com as quais será equipado o eletrolisador, é necessário levar uma chapa de aço de espessura média.Usando uma tesoura de metal, uma serra ou outra ferramenta, ele é cortado em tiras iguais de 18 ou mais peças (o número deve ser par).

Por outro lado, em cada um deles é necessário fazer furos para os parafusos que serão necessários para manter esses elementos completamente imóveis no eletrólito.

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

Usar corrente contínua é mais eficiente do que usar corrente alternada. É melhor usar um gerador do tipo PWM como fonte.

Etapa 3 — montagem do eletrolisador. O melhor material para a fabricação deste elemento é o aço inoxidável. Uma estrutura retangular ou quadrada confiável é soldada em metal, após a qual água ou uma mistura de H é derramada nela₂O com o catalisador, e placas preparadas com fiação conectada também são colocadas.

Passo 4 — conexão do queimador. Um queimador é montado na parte superior do aparelho - é melhor usar um modelo adquirido, que pode ser adquirido em loja especializada.

Etapa 5 — instalação e conexão do separador, que é necessário para separar gases hidrogênio de uma mistura.

Finalmente, é colocado um tubo através do qual H₂ subirá até o queimador, e também serão conectados elementos que removem o calor e o distribuem por toda a casa.

Qual água é melhor - normal ou destilada?

Uma das perguntas que os proprietários de caldeiras a hidrogênio costumam fazer diz respeito à água utilizada para o funcionamento dos aparelhos.

Água destilada para o funcionamento de uma caldeira a hidrogênio pode ser adquirida nas lojas ou você mesmo pode montar sua produção por meio de uma instalação simples

Segundo especialistas, aparelhos de fábrica ou caseiros apresentam melhor desempenho quando se trabalha com água destilada, à qual foi adicionado muito pouco hidróxido de sódio (uma colher de sopa para cada 10 litros de H2O).

Porém, uma caldeira de hidrogênio também pode funcionar com sucesso com água da torneira, o principal é que não contém sais de metais pesados.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

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

Não é à toa que o hidrogênio é chamado de combustível do futuro: esse gás pode se tornar um recurso quase ilimitado de combustível barato e ecologicamente correto que pode ser usado em diversas instalações.

Uma caldeira a hidrogénio, fabricada em fábrica ou de forma independente, permitirá criar um sistema de aquecimento autónomo. Isto ajudará a reduzir significativamente os pagamentos de habitação e serviços comunitários e resolverá o problema de manter uma temperatura confortável nas salas de estar e despensas.

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