Перспективы создания и применения бытовых электротехнологических установок на базе электролизно-водного генератора с электронными системами управления, защиты и контроля
Николай Алексеевич Феоктистов, доктор технических наук, профессор, первый проректор НОУВПО "Институт государственного управления, права и инновационных технологий" (ИГУПИТ), г. Москва,
Игорь Владимирович Варламов, доктор технических наук, профессор кафедры информационных систем и инновационных технологий ИГУПИТ,
Евгений Вячеславович Ларин, аспирант,
НОУВПО "Институт государственного управления, права и инновационных технологий" (ИГУПИТ), г. Москва,
Михайлюк Демьян Леонидович, аспирант,
НОУВПО "Институт государственного управления, права и инновационных технологий" (ИГУПИТ), г. Москва
Аннотации
Предложены новые принципы и системы управления, контроля и защиты электролизно-водных генераторов кислородно-водородной смеси для обработки металлов, обеспечивающие безопасность, надежность и улучшенные эксплуатационные характеристики установок на их основе.
The author puts forward new principles and systems of management, control and protection of hydro-electrolytic generators of oxygen-hydrogen mixture for metal processing which secure safety, reliability and improved exploitation characteristics of installations on their basis.
Ключевые слова: система управления, электролизно-водный генератор, датчик. сварка пайка электролизный водный
Keywords: management system, hydro-electrolytic generator, sensor
Применение кислородно-водородного пламени для сварки и пайки мелких изделий имеет большие перспективы. В качестве заменителя ацетилена может применяться кислородно-водородное пламя газовой смеси, производимой электролизно-водным генератором [1]. Это позволяет исключить дорогостоящее оборудование ацетиленового генератора, карбид кальция и способствует улучшению экологии, экономии материалов и трудовых ресурсов. Конечным продуктом при сжигании смеси является вода. В качестве исходного сырья для электрического разложения в генераторах используются водные растворы щелочей - едкий калий и едкий натрий. При этом концентрация КОН при практическом применении находится в пределах 25-30%. Температура пламени зависит от соотношения объемов кислорода и водорода и может достигать 2100-2800єС.
Сварка и пайка с использованием водородно-кислородной смеси газов имеет по сравнению с другими смесями (за исключением кислородно-ацетиленовой) ряд неоспоримых преимуществ: локальность нагрева, широкий диапазон изменения (регулирования) температуры и химической активности пламени при введении паров углеводородных добавок, возможность газового флюсования, стабильность пламени, обеспечение постоянного давления газа, отсутствие выделения вредных газов, а также бесшумность работы [2].
Специализированные установки на основе электролизно-водных генераторов кислородно-водородной смеси уже сейчас находят применение в различных областях техники. Так в электронике они применяются для резки золотой проволоки диаметром ~0,025 мм с образованием шариков в технологии термокомпрессии при производстве интегральных схем, используются они для сварки проводов термопар при производстве изделий с использованием кварца, керамики, вольфрама и шаптала, при пайке серебром разнородных материалов. Чрезвычайно высокая концентрация тепловой энергии позволяет осуществлять качественное соединение поверхностей проволоки к массивной детали.
Эффективно применение установок на основе генераторов кислородно-водородной смеси при производстве и ремонте ювелирных изделий: при ремонте цепочек с мелкими звеньями, ремонте комбинированных изделий из платины, ремонте изделий без выкрепки камней (например, изменение размера кольца) ремонте изделий с эмалью и в других случая, когда требуется локальный нагрев изделия.
Водородно-кислородной газовой сваркой можно сваривать малоуглеродистые, низколегированные и нержавеющие стали, медные сплавы, алюминий и его сплавы. Такие задачи возникают при ремонте бытовой техники, ремонте автомобилей и т.п. Для получения качественного сварного соединения здесь необходим тщательный подбор мощности, температуры и состава горючей смеси. Так, при сварке сталей необходимо применять гремучий газ (2Н 2 + О 2) обогащенный парами углеводородных соединений. Наиболее эффективно использование для этих целей бензина. Это обеспечивается соотношением объемов кислорода и водорода в горючей смеси в ? 0,45-0,48, что необходимо для нейтрального пламени. Удельный расход такой горючей смеси составляет ~250-300 литров в час на мм толщины металла.
При сварке цветных металлов водородно-кислородным пламенем необходимо помимо насыщения гремучего газа парами углеводородных соединений, использовать специальные флюсы и присадочную проволоку соответствующего состава. При сварке алюминия, например, основной проблемой является необходимость разрушения и удаления окисной пленки. Поэтому, кроме обогащения кислородно-водородной смеси парами бензина (в ? 0,3-0,4) применяют специальные флюсы, в состав которых входят галоидные соединения щелочных металлов (они взаимодействуют с Al2O3 с образованием легко удаляемых компонентов). При сварке меди используется нормальное пламя (гремучий газ, обогащенный парами углеводородных соединений), при сварке латуни целесообразно использовать пламя окислительное (в ? 0,5, т.е. без обогащения парами углеводородных соединений). В том и другом случае используют флюс (в его состав входит бура и, как правило, борная кислота).
В дополнение к изложенному выше отметим, что тепловые и технологические характеристики водородно-кислородного пламени указывают на возможность и целесообразность использования этого инструмента при газовой резке металлов малой толщины.
Применение обсуждаемого источника тепловой энергии при изготовлении и ремонте металлических конструкций оказывается целесообразным в том случае, когда необходима местная термическая обработка с использованием высокотемпературного источника: при правке листов и конструкций, при комбинировании местного нагрева с ударами, при изгибе и деформации, при очистке листов и собранных под сварку конструкций от ржавчины, при местном отжиге (например, для сверления в определенном месте закаленной детали), при локальной закалке. Заметим, что ацетилено-кислородное пламя и пламя газов - заменителей ацетилена в рядке случаев вызывает науглероживание и охрупчивание внешних слоев трубопроводов, что недопустимо при изготовлении тонкостенных изделий. Водородно-кислородное пламя позволяет этот недостаток устранить. Хорошие результаты получаются при использовании водородно-кислородного пламени при нанесении неметаллических покрытий (например, стеклоэмалей) и при сварке кварцевого стекла.
Изложенное выше указывает на чрезвычайно широкий спектр возможного применения источников водородно-кислородной смеси и является причиной интереса, который уже длительное время уделяется проблемам, возникающим при производстве оборудования и при его технологическом использовании.
Однако взрывоопасность "гремучего" газа требует особого внимания вопросам обеспечения безопасности и надежности при эксплуатации электролизно-водных генераторов. Последнее обстоятельство резко ограничивает возможность использования установок на их основе в бытовых условиях.
Многочисленные виды конструкций электролизеров для разложения воды делятся на монополярные и биполярные. Аппараты с биполярным включением электродов имеют ряд преимуществ, таких как компактность, возможность подключения к сети без трансформатора, ремонтопригодность.
Достижения электронной техники позволяют создать аппаратуру управления и защиты электролизно-водных генераторов (ЭВГ) и установок на их основе [2, 3, 4].
Предложен и апробирован новый принцип построения устройства для газопламенной обработки металлов [5, 6].
На рисунке 1 представлена функциональная схема предложенного варианта ЭВГ. Схема содержит последовательно соединенные тиристорный контактор 1, блок питания 2, регулятор мощности 3 и электролизер 4, в котором установлены датчики давления и температуры, входы которых подключены соответственно к блокам защиты по давлению 5 и температуре 6, а задатчики критических значений давления и температуры электролизера связаны соответственно с вторыми входами блоков 5 и 6, входы которых соединены через последовательно соединенную логическую схему ИЛИ 7 и управляемый ключ 8 с тиристорным контактором, причем выход датчика давления подключен через регулятор 9 давления газовой смеси к управляющему входу регулятора потребляемой мощности. Электролизер 4 связан газопроводом с отстойником 10, водяным затвором 11 в виде барбатера двойного действия, осушителем 12 в виде фильтра и пламегасителя, узлом 13 для обогащения газовой смеси в виде барбатера двойного действия с легковоспламеняющейся жидкостью, вентилем 14, газосмесителем 15 и горелкой 16. Источник 17 углеводородной смеси через вентиль подключен к первому входу газосмесителя, а второй вход связан с осушителем и фильтром с пламегасителем и через второй датчик давления 18 с блоком 19 защиты по критическим значениям нижнего и верхнего давления в газотранспортной системе. Вторые и третьи входы блока 19 соединены с задатчиками нижнего и верхнего давлений, а выход подключен к третьему входу логической схемы ИЛИ (блок 7).
Горючая смесь, выходящая из электролизера 4, по газопроводу проходит в отстойник 10, где осаждается неразрушенная пена, далее через слой жидкости барбатера двойного действия (водяной затвор), где горючая смесь освобождается от влаги, и через осушительный фильтр с пламегасителем поступает гремучий газ через газосмеситель (15) на горелку 16. Часть гремучего газа проходит через второй барбатер с легковоспламеняющейся жидкостью (ацетон, бензин, спирт) и в объеме над жидкостью насыщается парами углеводородных соединений. Очищенная и насыщенная горючая смесь по газопроводу подается через вентиль 14, на второй вход смесителя 15. С помощью вентиля 14 этот горючий газовый состав может быть заменен газом баллона 17 (пропан).
В предлагаемом варианте применение двух потоков горючего газа, один из которых остается "чистым", а другой насыщается в барбатере с легковоспламеняющейся жидкостью двойного действия, и использование источников 17 с углеводородной смесью позволяют плавно регулировать состав горючей смеси в более широких пределах, чем достигается изменение температуры пламени и активного характера пламени - от окислительного (избыток кислорода) до нормального (отсутствие свободного кислорода).
Использование источника 17 с углеводородной смесью позволяет уменьшить вероятность возникновения обратного удара, так как доля кислорода значительно меньше, чем стехиометрическое соотношение. Но при слишком большом расходе гремучего газа или при нарушении физического состояния газовой смеси (обрыв шлага, прорыв газопровода, срыв вентиля, засорение горелки) возможен обратный удар, воспламенение горючей смеси в каналах горелки и распространение пламени навстречу потоку горючей смеси. Вследствие кратковременного повышения давления часть жидкости из водяного затвора 11 и барбатера с легкоиспаряющейся жидкостью (ацетон, спирт, бензин) по газопроводу перетекает из одного баллона в другой. Так используется барбатер двойного действия. После повышения давления жидкости перетекают в первый баллон.
Датчик давления, который находится в электролизере 4, соединен с регулятором давления, выход которого управляется регулятором потребляемой мощности. При изменении силы тока электролизера 4 изменяется как производительность электролизера по выработке объема гремучего газа, так и выделяемая мощность.
Особенностью технического решения является также использование фильтра с пламегасителем, состоящего из свинцовой дроби, а также датчика 18 давления, который активно реагирует на изменение давления на выходе системы и через блок защиты по выходному давлению фиксирует возникновение неисправности и отключает источник питания ЭВГ. Таким образом электролизер 4 оказывается защищенным от попадания в него пламени и возникновения повышенного или пониженного давления при утечке из газовой системы.
Однако это устройство не обеспечивает условий оптимального режима работы электролизера, поскольку давление в газотранспортной системе электролизно-водного генератора выбирается исходя из требований технологии газовой сварки и условий эффективного насыщения смеси парами углеводородных добавок при прохождении газа через барбатер двойного действия и составляет величину около одной избыточной атмосферы (105 Па), что вызывает повышенное пенообразование и газонаполнение межэлектродного пространства в электролизере. Это приводит к необходимости увеличения объема очистительных устройств и накопительных емкостей, а также к значительному повышению питающего напряжения, а также к необходимости уменьшения допустимой плотности тока через электроды электролизера и как следствие приводит к утяжелению конструкции электролизно-водного генератора в целом.
С целью решения указанной проблемы в газовую магистраль между водяным затвором 11 (рис. 1) и осушителем 12, выполняющим функцию разветвителя газового потока, включен редукционный клапан, который делит газотранспортную систему генератора в целом на область высокого и область низкого давления.
Встраивание в газотранспортную систему редукционного клапана 20 позволяет разделить газотранспортную систему на две части, в одной из которых поддерживается значительно большее давление, что требуется для эффективной работы электролизера, в другой - области низкого давления - поддерживается режим оптимальный для насыщения углеводородными соединениями газовой смеси, а также для технологии процесса сварки (пайки). Разбиение газотранспортной системы на области высокого и низкого давления приводит к существенному улучшению энергетических, а также габаритных и массовых характеристик электролизно-водного генератора.
Предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом позволяет повысить эксплуатационную надежность и безопасность работы, причем благодаря улучшению условий очистки смеси улучшается технологический характер пламени, повышается стабильность работы электролизера, автоматизация приводит как к повышению производительности за счет увеличения скорости сварки и точности, так и к повышению качества сварочных соединений. Повышается надежность оборудования, производительность сварки и пайки благодаря увеличению тепловой мощности пламени при сохранении массогабаритных показателей электролизно-водного генератора, который становится легко транспортируемым устройством, обладает сравнительно простой схемой автоматического управления, позволяющей безопасно осуществить весь технологический процесс.