Ūdeņraža apkures katls: uzbūve + darbības princips + izvēles kritēriji

Alternatīvās enerģētikas principi arvien vairāk piesaista patērētāju uzmanību. To lielā mērā veicina tarifu pieaugums tradicionālajiem energoresursiem, kā arī periodiski traucējumi pakalpojumu tirgū.

Šādos apstākļos ūdeņraža apkures katls tiek uzskatīts par vienu no perspektīvākajām ierīcēm, kas darbojas ar atjaunojamo degvielu, proti, H₂ gāzi.

Pirms pieņemt lēmumu par šādas iekārtas iegādi, ir jāiepazīstas ar tās darbības principu, jāizvērtē ūdeņraža kā degvielas izmantošanas priekšrocības un trūkumi. Šie jautājumi ir izpētīti un detalizēti aprakstīti rakstā.

Turklāt mēs esam norādījuši parametrus, kas jāņem vērā, izvēloties katlu, snieguši ekspluatācijas padomus un sagatavojuši pārskatu par labākajiem rūpnīcas ūdeņraža ģeneratoriem. Pašdarinātāju cienītājiem noderēs instrukcija iekārtas salikšanai pašu spēkiem.

Ūdeņraža īpašības kā degvielai

Kā jau minēts iepriekš, degviela šādām iekārtām ir ūdeņradis, vieglākā gāze dabā, bez krāsas un smaržas. Starp tā priekšrocībām var minēt lielo siltuma daudzumu, kas izdalās, degot H₂ (121 MJ/kg, kamēr, degot propānam, izdalās tikai 40 MJ/kg).

Normālos apstākļos ūdeņradis deg +2000°C temperatūrā, taču ar katalizatora palīdzību to var samazināt līdz +300°C. Tas ļauj izgatavot katlus no budžeta tērauda, nevis dārgiem retzemju metāliem.

Ūdeņradis nav toksisks, kas nodrošina tā drošu izmantošanu mājsaimniecībā. Sadedzinot šo vielu, rodas ūdens tvaiki, kas uzlabo mikroklimatu telpās un neprasa dūmvadus.

Lietojot ūdeņradi, stingri jāievēro drošības noteikumi: nepareizas gāzes lietošanas vai saskares ar atklātu uguni gadījumā var notikt postošs sprādziens

Starp trūkumiem var minēt paaugstinātu ūdeņraža sprādzienbīstamību, īpaši, ja tas sajaucas ar gaisu vai skābekli, kas noved pie sprādzienbīstamas gāzes veidošanās.

Ūdeņraža katlu priekšrocības un trūkumi

Šādu ierīču stiprās puses ir:

1. Pilnīga videi draudzīgums. Ūdens sadalīšanās produkti nekaitē atmosfērai, tie ir pilnīgi droši cilvēku un mājdzīvnieku veselībai.
2. Augsts lietderības koeficients, kas var sasniegt 96%.  Tas ir ievērojami augstāks par dīzeļdegvielas, dabasgāzes vai ogļu lietderības koeficientu.
3. Dabas resursu taupīšana, pateicoties alternatīvo enerģijas avotu izmantošanai.
4. Zema iegūto kaloriju cena . Šādām ierīcēm pietiek ar ūdeni un nedaudz elektrības.

Tajā pašā laikā šādām ierīcēm ir arī vājās puses.

Pie trūkumiem jāmin šādas nianses:

1. Apkalpošanas prasīgums. Lai sasniegtu maksimāli augstu H₂ ražošanas līmeni, katru gadu jāmaina metāla plāksnes. Papildus elektrodu maiņai, lai saražotu plānoto enerģijas daudzumu, regulāri jāpievieno katalizators. Šīs procedūras biežums ir atkarīgs no jaudas, kā arī no konkrētā modeļa īpatnībām.
2. Augstas izmaksas – rūpnīcas iekārta izmaksā ne mazāk kā 350–400 €.
3. Sprādziena risks, palielinoties normētajam spiedienam katlā.
4. Ūdeņraža balonu deficīts – tos diezgan reti var atrast pārdošanā.
5. Ierobežota izvēle. Tā kā šādas apkures ierīces nav pārāk izplatītas Krievijas tirgū, ne vienmēr var ātri atrast piemērotu modeli, kā arī atrast kompetentus speciālistus iekārtas uzstādīšanai un remontam.
6. Nepieciešamība pieslēgt komunikācijas. Lai ierīce darbotos, nepieciešams pastāvīgs elektrības pieslēgums elektrolīzes reakcijas veikšanai, kā arī ūdens avots, kura patēriņš ir atkarīgs no ierīces jaudas.

Jāpiemin, ka ražotāji lielu uzmanību pievērš jaunajām tehnoloģijām, cenšas pilnveidot ūdeņraža katlus, novēršot vai samazinot trūkumus.

Apkures iekārtas darbības princips

Pateicoties savai aktivitātei, H₂ tīrā veidā dabā nav sastopams, tomēr to ir pietiekami vienkārši izdalīt no parasta ūdens elektrolīzes ceļā, šajā procesā izdalās arī gāzveida skābeklis.

Attēlā redzama shematiska ūdeņraža sildīšanas iekārtas uzbūve, ar visu konstrukcijas elementu norādi (+).

Lai sildīšanas ierīce darbotos, vispirms jāiegūst H₂. Tas notiek īpašā nodalījumā, kas paredzēts šādas reakcijas norisei. Tvertnē ielej šķidrumu, kurā iegremdē metāla plāksnes.

Uz tām tiek padota īpaši izvēlētas tīrības elektriskā strāva, kuras ietekmē izdalās H₂ un O₂, kā arī blakusprodukts – ūdens tvaiki.

Iegūtais maisījums tiek izlaists caur īpašu ierīci – ķīmisko separatoru, ar kura palīdzību izdodas izdalīt ūdeņradi, atdalot to no citiem piemaisījumiem. Attīrītā gāze tiek padota uz degli, kuram uzstādīts vārsts.

Tas novērš H₂ kustību uz otru pusi, kas novērš sprādzienu. Tajā pašā laikā skābeklis un ūdens tvaiki caur citu sistēmu tiek novadīti speciālā tvertnē.

Tālāk gāzveida ūdeņradis iziet caur aizsardzības bloku un nonāk degšanas kamerā. Šeit tas reaģē ar gāzi katalizatora klātbūtnē, kā rezultātā rodas siltums, kas caur siltummaini nonāk mājas apkures sistēmā.

Kamerā izdalījušies ūdens tvaiki pa īpaši izdalītu kanālu atgriežas elektrolīta rezervuārā, tādējādi izmantojot recirkulācijas procesu.

Jaudas regulēšana tiek veikta ar speciāli aprīkotu kanālu palīdzību, kuru skaits var sasniegt sešus. Katra no šīm ierīcēm iekšpusē satur katalizatoru, pateicoties kam, ieslēdzot, sākas siltuma ražošanas process.

Gāzes plūsma, kas uzkarsusi līdz 40°C temperatūrai, sāk kustību uz siltummaini, kas atrodas degšanas kamerā.

Pateicoties atsevišķām konstrukcijām, kanāli var darboties neatkarīgi viens no otra, kas ļauj ieslēgt tikai daļu no tiem.

Ūdeņraža iegūšanas process mūsdienu elektrolīzes aparātos ir pilnībā automatizēts. Vienīgais process, ko veic manuāli, ir ūdens ieliešana sistēmā.

Mūsdienu modeļi tiek aprīkoti arī ar dažādām ierīcēm, piemēram, ūdens līmeņa indikatoriem un spiediena sensoriem, kas ļauj tiem strādāt automātiskā režīmā un ārkārtas situācijās operatīvi reaģēt.

Ūdeņraža iekārtas sastāvdaļas

Ūdeņradi izmantojošas apkures sistēmas iekārta ir pietiekami vienkārša.

Katls, kas pilda siltummaiņa lomu, – tas ir galvenais elements, kur notiek ūdeņraža ražošana.

Ar ūdeņradi darbināmu katlu var samontēt no pieejamiem elementiem, un tā darbībai ir nepieciešams tikai parasts vai destilēts ūdens (+)

Elektrolizators – katla galvenā darbības daļa, kur notiek elektrolītiskā reakcija, kas izraisa ūdens sadalīšanos H₂ un O₂. Elements ir rezervuārs, kas piepildīts ar ūdeni, kurā ievietoti metāla elektrodi ar maksimālu strāvas vadītspēju.

Pie plāksnītēm ir pievienoti vadi, pa kuriem tiek veikta elektrības padeve.

Deglis – ierīce, kas veicina siltumnesēja uzsildīšanu apkures sistēmā. Atrodas kurtuves kamerā, tā aizdedzināšanai tiek padota dzirkstele.

Degļa vārsts – speciāla detaļa, kas atrodas ierīces augšējā daļā. Pateicoties šai detaļai, H₂, kas pacēlies augšā, viegli pārvar barjeru, kas nav pieejama citām izdalītajām vielām, un nonāk tieši deglī.

Rūpnīcas ūdeņraža katlos ir paredzēts vadības bloks. Panelī tiek parādīti sprieguma un strāvas rādītāji, jaudas regulators un citu darba parametru iestatīšanas sviras.

Cauruļvads – komunikācijas, kas atiet no agregāta un tiek izmantotas siltuma piegādei uz visām mājas telpām. Saišķošanai izmanto apkures caurules ar diametru 25–32 mm. Ierīkojot, ievēro pamatnoteikumu: katra nākamā atzarojuma diametram jābūt mazākam nekā iepriekšējam.

Ģeneratoru izvēles kritēriji

Pieņemot lēmumu iegādāties šādu tehniku, ir svarīgi pievērst uzmanību šādiem kritērijiem.

Jauda. Mūsdienu ierīcēm šī rādītāja lielums var ievērojami atšķirties, kas ļauj izvēlēties optimālu variantu gan nelielai mājai, gan divu, trīs stāvu ēkai.

Vidējais ūdens patēriņš mūsdienu ģeneratoru modeļos nav pārāk liels. 24 stundu laikā ierīces darbībai būs nepieciešami aptuveni 5,5 litri, uz kuru rēķina tiek ģenerēts 1,2–2 litri degvielas.

Kontūru skaits. Uz ūdeņradi strādājošām ierīcēm parasti ir uzstādīts apkures kontūrs. Dažos modeļos ir paredzēta arī papildu otrā (sildīšanas) kontūra montāža.

Elektroenerģijas patēriņa līmenis. Šodienas tehnoloģijas ļauj panākt izcilu siltuma ražīgumu, izmantojot minimālu elektrību. Dažādu ģeneratoru enerģijas patēriņš svārstās no 1,2 līdz 3 kW stundā.

Zems elektroenerģijas patēriņš tiek panākts tāpēc, ka ūdeņraža katls nedarbojas nepārtraukti, bet tikai, lai uzturētu noteiktu temperatūru telpā.

Barošanas avots. Visus ūdeņraža ģeneratoru veidus var iedalīt divās lielās kategorijās: viens darbojas ar gāzi, otrs – ar elektrību.

Ražotājs. Labāk dot priekšroku pārbaudītiem ražotājiem (Itālija, ASV). Jāuzmanās no nekvalitatīviem produktiem, ko piedāvā apšaubāmi uzņēmumi par ārkārtīgi zemām cenām.

Padomi katla ekspluatācijai

Lai uzlabotu agregāta funkcionalitāti, ir svarīgi ievērot pievienoto instrukciju. Ierīces darbu var uzlabot, pievienojot papildu detaļas (to darot, stingri jāievēro drošības noteikumi).

Uz degļa uzstādītais liesmas sensors paaugstina sistēmas drošību. Kad uguns nodziest, ierīce automātiskā režīmā pārtrauc degošās gāzes padevi deglim, tādējādi novēršot tās nokļūšanu telpā.

Siltummaiņa iekšējā daļā var iemontēt īpašus sensorus, kas ļauj sekot līdzi ūdens sildīšanas rādītāju pieaugumam, kā arī papildināt degļa konstrukciju ar noslēgarmatūru.

Pietiek to pievienot tieši temperatūras sensoram, lai katls automātiski izslēgtos, tiklīdz sasniegts iestatītais sildīšanas līmenis.

Ir lietderīgi uzstādīt arī katla normētas dzesēšanas ierīci.

Ūdeņraža ierīces var izmantot ne tikai kā vienīgo apkures iekārtu mājā, bet arī kombinēt ar citām sildīšanas sistēmām. Šajā gadījumā galvenās siltumiekārtas var darboties zemas temperatūras režīmā.

Ievērojot ekspluatācijas normas, ūdeņraža iekārta kalpos ne vienu desmitu gadu. Lai gan šādu ierīču garantijas termiņš ir 15 gadi, praksē tās var kvalitatīvi darboties 20-30 gadus.

Šādu iekārtu remonts pieredzējušam meistaram nesagādās grūtības, jo ūdeņraža katla principiālā shēma pārāk neatšķiras no analogiem, kas darbojas ar citiem degvielas veidiem.

Top 5 rūpnīcas ūdeņraža ģeneratori

Pirmā firma, kas izgatavoja un patentēja ūdeņraža katla ražošanas tehnoloģiju, bija Itālijas uzņēmums Giacomini. Tas specializējas ierīcēs, kuru pamatā ir videi draudzīgi enerģijas iegūšanas veidi: ģeotermālie sūkņi, saules paneļi un citi.

H2ydroGEM — katalītiskā sadegšanas kamera, kuras katrā sprauslā atrodas viela, kas paātrina ūdeņraža sadegšanas reakciju. Pateicoties tam, process notiek salīdzinoši zemā temperatūrā.

Pašlaik šādas modeļus ražo amerikāņu, ķīniešu, Eiropas uzņēmumi, taču to sortiments nav pārāk plašs, salīdzinot ar katliem, kas darbojas ar citiem degvielas veidiem.

Labākie rūpnīcā ražotie ūdeņraža sistēmu modeļi

No populārākajiem modeļiem varam atzīmēt:

1. Megātanks100 – ģenerators, kas darbojas ar elektroenerģiju no tīkla. Tam ir uzticama daudzlīmeņu aizsardzības sistēma pret pārkaršanu un īsslēgumu, kas garantē drošu un produktīvu darbu. Modeļa izmaksas ir atkarīgas no tā komplektācijas.
2. STAR-2000 – dārga iekārta (>2000 €) ar izcilām tehniskām īpašībām. Neskatoties uz to, ka šis ģenerators patērē minimālu enerģiju, tas spēj apsildīt telpu ar platību 251-300 kvadrātmetri.
3. Kingkar – no tīkla darbojas ierīce ar izcilām darba īpašībām. Modeļa izmaksas ir diezgan augstas – apmēram 1000 €, taču tās atmaksājas ar ekonomisku enerģijas patēriņu.
4. H2-2 – Itālijas «ekstra» klases tehnika par augstu cenu (aptuveni 2500 €), kas ļauj sildīt gaisu plašās telpās (no 300 m³ un vairāk) ar minimālu elektrības patēriņu.
5. Free Energy – kvalitatīvas ierīces par pieņemamu cenu robežās no 150 līdz 350 € (cena atkarīga no jaudas un citām īpašībām). Aprīkoti ar vadības bloku, kas automatizē daudzus procesus, daudzlīmeņu sprieguma un spiediena regulēšanas sensoru.

Ir pieejami arī citi modeļi dažādās cenu kategorijās.

Kā izgatavot katlu pašam

Sildīšanas ģeneratori ir diezgan vienkāršas konstrukcijas. Ar noteiktu prasmju līmeni ir iespējams samontēt ierīci patstāvīgi. Tajā pašā laikā ūdeņraža maisījuma sprādzienbīstamības dēļ šāds darbs prasa ārkārtīgu atbildību, drošības tehnikas zināšanas un pieredzi šādu ierīču uzstādīšanā.

Pašrocīgi izgatavojot ierīci, neizdosies izvairīties no ievērojamiem finansiāliem izdevumiem, jo dažus komponentus labāk iegādāties gatavus. Augstais risks liek apsvērt rūpnīcas iekārtas, uz kurām ražotāji sniedz ilgtermiņa garantijas.

Ūdeņraža katla pašrocīgas izgatavošanas procesu var sadalīt vairākos posmos.

1. solis – zīmējuma izpilde un materiālu sagatavošana. Vispirms internetā jāatrod līdzīgi projekti, lai uz to pamata izdomātu ierīci, kas atbilstu visiem apstākļiem un iespējām.

Ir precīzi jāaprēķina visi rādītāji, un, pirmkārt, nepieciešamā jauda, kā arī jāizlemj par materiāliem, kas tiks izmantoti katla izgatavošanai. Par optimālo variantu tiek uzskatīti feromagnētiskie sakausējumi, taču pilnībā derēs no nerūsējošā tērauda izgatavots trauks.

Lai gan ūdeņraža sildīšanas ģeneratoram var būt dažādas konstrukcijas, nemainīgas paliek šādas detaļas:

• 12 voltu enerģijas avots;
• rezervuārs, kurā atradīsies konstrukcija;
• PWM regulators ar jaudu vismaz 30 A;
• vairākas caurules ar dažādu diametru, izgatavotas no nerūsējošā tērauda;
• tērauda loksne;
• metāla zāģis;
• gāzes degli – labāk gatavu, iegādātu veikalā.

2. solis – elektrolītu izveidošana. Lai izgatavotu plāksnes, ar kurām tiks aprīkots elektrolizators, jāņem vidēja biezuma tērauda loksne. Ar metāla šķērēm, zāģi vai citu instrumentu to sagriež vienādās sloksnēs 18 un vairāk gabalu apjomā (skaidam jābūt noteikti pāra skaitlim).

No otras puses katrā no tām ir nepieciešams izurbt caurumus skrūvēm, kas būs vajadzīgas, lai noturētu šos elementus elektrolītā pilnīgi nekustīgi.

Visas plāksnes sadalām anodos un katodos, atkarībā no šī sadalījuma tām pieslēdz vadus, kas attiecīgi pārvada pozitīvos un negatīvos lādiņus.

Līdzstrāvas izmantošana ir efektīvāka nekā maiņstrāvas izmantošana. Par tās avotu vislabāk ir izmantot PWM tipa ģeneratoru.

Solis Nr. 3 – elektrolizatora salikšana. Vislabākais materiāls šī elementa izgatavošanai ir nerūsējošais tērauds. No metāla tiek metināta uzticama taisnstūra vai kvadrāta formas konstrukcija, pēc tam tajā tiek ielieta ūdens vai H₂O maisījums ar katalizatoru, kā arī ievietotas sagatavotas plāksnes ar pievienotiem vadiem.

Solis Nr. 4 – degļa pievienošana. Ierīces augšējā daļā tiek uzstādīts deglis – labāk izmantot iegādātu modeli, ko var iegādāties specializētā veikalā.

Solis Nr. 5 – separatora uzstādīšana un pievienošana, kas nepieciešams ūdeņraža izdalīšanai no gāzu maisījuma.

Nobeigumā tiek ierīkota caurule, pa kuru H₂ pacelsies līdz deglim, kā arī tiek pievienoti elementi, kas atvada siltumu un izplata to pa visu māju.

Kurš ūdens ir labāks – parasts vai destilēts

Viens no jautājumiem, ko bieži uzdod ūdeņraža katlu īpašnieki, attiecas uz ūdeni, ko izmanto ierīču darbībai.

Destilētu ūdeni ūdeņraža katla darbībai var iegādāties veikalos vai arī tā ražošanu var izveidot patstāvīgi, izmantojot visvienkāršāko iekārtu.

Pēc speciālistu domām, vislabākos rādītājus rūpnīcas vai paštaisītas ierīces demonstrē, strādājot ar destilētu ūdeni, kuram pievienots pavisam nedaudz nātrija hidroksīda (uz 10 litriem H₂O – viena ēdamkarote).

Tomēr ūdeņraža katls var veiksmīgi darboties arī ar krāna ūdeni, galvenais, lai tajā nesaturētu smago metālu sāļus.

Secinājumi un noderīgs video par tēmu

Zemāk redzamajā video jūs redzēsiet pārskatu par gāzes katla modeli, kas darbojas ar ūdeņraža degvielu, kuru ražojusi slavenā Dienvidkorejas kompānija DAEWOO.

Ūdeņradi ne bez pamata sauc par nākotnes degvielu: šī gāze var kļūt par praktiski neierobežotu resursu lētai videi draudzīgai degvielai, ko var izmantot dažādās iekārtās.

Ūdeņraža degvielas katls, kas ražots rūpnīcas apstākļos vai patstāvīgi, ļaus izveidot autonomu apkures sistēmu. Tas palīdzēs ievērojami samazināt maksājumus par mājokļa un komunālajiem pakalpojumiem, atrisinās jautājumu par komfortablas temperatūras uzturēšanu dzīvojamās istabās un saimniecības telpās.

Vai jums ir pieredze ūdeņraža izmantošanā par degvielu? Vēlaties uzdot jautājumus par tēmu vai pastāstīt par savu izgudrojumu? Lūdzu, komentējiet publikāciju, piedalieties diskusijās un atstājiet savu paštaisīto ierīču fotogrāfijas. Atsauksmju bloks atrodas zemāk.