Рис. 6
На чертеже: 1) штуцер; 2) гайка; 3) фланец; 4) корпус шприца; 5) силикагель; 6) проволочная набивка; 7) игла; 8) гайка М3; 9) винт М3.
В качестве форсунки горелки применяют инъекционные иглы. В наборе надо иметь несколько с разными диаметрами внутренних каналов, позволяющих получать факелы разной длины, диаметра и мощности.
На фото 3 изображен факел работающей горелки с диаметром канала иглы 0,8 мм, на фото 4 — с диаметром 0,4 мм.
Фото 3
Фото 4
Электролиз (разложение) воды на водород и кислород происходит под действием выпрямленного тока напряжением 15–25 В. Потребляемый ток 5-15 А в зависимости от диаметра канала иглы шприца (0,4–0,8 мм), и концентрации электролита. Для питания установки применяем схему (рис. 7).
Рис. 7
Понижающий трансформатор Т2 220/36 В мощностью 500 Вт подключен к лабораторному автотрансформатору Т1. Это позволяет плавно установить необходимое напряжение и ток на электролизере. Мостик из выпрямительных диодов VD1-VD4 должен обеспечивать ток до 20 А. Можно применить диоды Д242, Д243, Д245, КД203, КД213 и др. с любыми буквами. Ток контролируется амперметром 0-25 или 0-50 А. Можно обойтись и без амперметра, но с ним гораздо удобнее. Вместо ЛАТРа можно применить тиристорный регулятор напряжения. Такой блок питания позволяет наилучшим способом установить необходимую струю горючей смеси и размер факела.
Включение в цепь питания промежуточного понижающего трансформатора Т2 позволяет наделить конструкцию еще одним важным свойством: она оказывается гальванически развязанной от сети, что играет весьма существенную роль для электробезопасности всей установки.
Это дело вкуса и возможностей конструктора. Можно разложить все элементы на рабочем столе, соединить их проводами и шлангами, включить в сеть и начать работать. Я это называю «елочный вариант». Любому конструктору не терпится скорее испытать плод своих трудов в деле. Быстро собрав «на живульку» элементы и отдельные узлы в функционально целое что-либо из своих творений, чтобы по временной схеме испытать эксплуатационные качества, удовлетворившись результатами, мы несколько остываем и «потухаем», решив окончательную доводку оставить на «потом». Только давно и всем известно, что нет ничего более постоянного, чем что-то временное. Не ошибусь, если скажу, что почти любой творческий человек может найти в своих закромах (или в загашнике) не одно свое незавершенное творение. Это потому, что наши замыслы, желания и устремления так спешат, что оставляют позади наши возможности и силы. Ну ладно, оставим лирику, продолжим прозу.
Конструкция может быть любой. Свою я собрал на попавшемся куске гетинакса размером 260х210 мм. На нем разместил и укрепил электролизер, осушитель, водяной затвор. Впереди установил часть блока питания — выпрямительный мост и амперметр. Водяной затвор и осушитель прикрыты экраном из оргстекла. ЛАТР и понижающий трансформатор устанавливать на общее основание не стал. Слишком громоздкая и тяжелая получилась бы конструкция Конструкцию крепления блока электролизера желательно сделать быстросъемной. Заливать электролит и добавлять воду достаточно удобно, не снимая блока электролизера, а вот выливать из него содержимое, не снимая с общего основания, не совсем удобно.
Для заливки электролита я приспособил маленькую пластмассовую воронку с надетой гибкой трубкой, которая плотно надевается на заливной штуцер. Перед заливкой надо снять трубку с выходного штуцера, иначе воздух внутри электролизера не даст залить электролит.
Мой экземпляр установки имеет 10 пластин-электродов. Этого достаточно для устойчивого факела, создаваемого иглой с максимальным диаметром канала 0,8 мм (фото 3). Рабочий ток около 8 ампер при концентрации щелочного раствора 8 %. Ток устанавливается регулятором ЛАТРа, зависит от трех установленных факторов: концентрации электролита, диаметра применяемой иглы и числа пластин-электродов. Повышение концентрации электролита позволяет уменьшить ток (при одной и той же производительности электролизера), но вызывает повышенное ценообразование и, как следствие, повышенный перенос электролита в осушитель. Поэтому оптимальная концентрация электролита — не более 10 % (100 г на 1 л воды). Увеличение диаметра иглы требует увеличения силы тока. Это и понятно: больший диаметр — больший расход газовой смеси. С числом электродов зависимость обратная. Чем больше пластин в конструкции электролизера, тем меньший требуется ток. Можно изготовить установку с большим количеством электродов и регулировать ток переключением числа задействованных пластин (дискретно), предусмотрев для этого элементы переключения вплоть до пакетного переключателя, но я не вижу в этом усложнении конструкции особой необходимости.
Выше я говорил, что материалом для получения газовой смеси служит вода с добавлением щелочи или кислоты для повышения электропроводимости, то есть электролит. В проведенных экспериментах были проверены и кислотный, и щелочной электролиты. Для приготовления кислотного я взял серную кислоту и приготовил 8 % раствор. Газообразование идет нормально, но мне не понравились два фактора: факел пламени получается широким и коротким; второе — электролит начал чернеть. Видимо, примененная в моем случае резина для колец электролизера оказалась недостаточно стойкой к воздействию кислоты. Объяснения первому фактору я не нашел. (Скорее всего, по причине моих недостаточно глубоких знаний происходящих процессов и недостаточной продолжительности экспериментов.) Чтобы не подвергать сделанный прибор разрушению, вылил кислотный электролит, промыл и залил 8 % раствор щелочи (80 г NaOH на литр воды). Факел стал тонким и длинным (на фотографиях). Прибора для измерения температуры пламени у меня нет, но, судя по интенсивности расплавления стальной канцелярской скрепки (температура точки расплава железа 1530 °C), факел имеет температуру около 2000 °C.
Такая температура вполне достаточна для большинства мелких работ в домашних условиях. Все же я попробовал увеличить температуру горения, заменив воду в водяном затворе на другие жидкости. Залитая жидкость под названием «Денатурат» (так написано на этикетке купленной в хозтоварах бутылке, скорее всего это метиловый спирт), позволила получить более высокую температуру факела, но возникла проблема с гашением пламени. Погружение конца иглы в воду привело к перебросу пламени внутрь корпуса шприца, несмотря на плотную набивку пучком смятой медной проволоки. Что произошло далее, говорить не буду, ясно без слов.
Мой вывод таков: в водяном затворе должна быть вода. Температуры факела хватит и без ухищрений.
Предлагаемый к изготовлению прибор неплохо иметь в арсенале домашней мастерской. Но надо признать, что при несоблюдении некоторых условий и правил эксплуатации установка взрывоопасна. Все дело в том, что в отличие от других горелок — газовых, бензиновых, ацетиленовых, в которых смешение горючих паров и кислорода происходит непосредственно в зоне горения, в водородно-кислородной установке смесь газов в необходимой пропорции образуется в электролизере и в готовом виде подается по шлангу в зону горения. Поэтому смесь может гореть во всех закрытых полостях — в электролизной камере, в осушителе, в водяном затворе и в соединительных шлангах. Чем производительнее установка, тем больше объемы, занимаемые водородно-кислородной смесью, тем опаснее этот прибор. Больший объем — сильнее взрыв при возгорании смеси. Поэтому выше я оговаривался, что рельсы сваривать лучше и безопаснее другими средствами.
Тем не менее при пунктуальном соблюдении некоторых правил опасность взрыва можно свести к минимуму.
Перед включением в сеть убеждаемся в полной исправности прибора, в надежном креплении всех соединительных шлангов, в нормальном уровне жидкости в электролизере (не менее половины объема). Регулятор напряжения на ЛАТРе (или другом регуляторе напряжения) устанавливаем на «нуль». Рядом на рабочем месте поставим банку с холодной водой.
Включив прибор в сеть, медленно повышаем напряжение, наблюдая за амперметром и водяным затвором. Выход пузырьков из нижнего конца трубки скажет о начавшемся разложении воды на водород и кислород. Погружение конца иглы горелки в воду покажет то же самое. Установив напряжение таким, что пузырьки газа будут выходить непрерывной струей, дадим аппарату поработать 5–6 минут, не пытаясь пробовать зажигать факел. Это необходимо для полного вытеснения воздуха из всех шлангов, осушителя и затвора горючей смесью.
Зажигать факел надо при возможно большем давлении газа. Это предотвратит переброс пламени внутрь горелки. Затем можно подрегулировать факел до нужной величины. Но в любом случае нельзя уменьшать факел до таких размеров, что его начало коснется кончика иглы. Последует немедленное расплавление иглы и переброс горения внутрь шприца и далее по шлангу в водяной затвор. Из-за этой потенциальной возможности воздушный промежуток между верхним уровнем воды и крышкой затвора должен быть возможно минимальным.
Гашение факела делается быстрым (без «мандража» в руках) погружением иглы в банку с водой. После этого выключаем напряжение. Выключение при горящем факеле понижением напряжения или отключением прибора от сети недопустимо. Будет то же самое.
Здесь уместно будет сказать, что выключение работающей установки является самой потенциально опасной операцией.
Подытожив, можно сформулировать правила безопасной работы с водородной (плазменной) горелкой:
1. Перед включением осмотреть прибор, убедиться в его исправности.
2. Проверить уровни жидкостей в электролизере и затворе. При необходимости долить воды.