Tổng quan về tình hình nghiên cứu
Hiện tại, Việt Nam chưa có chương trình quốc gia trọng điểm nào về năng lượng hydrogen, tuy nhiên, một số cá nhân đam mê khoa học đã bắt đầu nghiên cứu về lĩnh vực này.
Trong Cuộc thi sáng tạo thanh thiếu niên, nhi đồng toàn quốc lần thứ 11 năm
2015 vừa qua 2 học sinh là Ngô Đức Thắng và Phạm Thành Trung, học sinh lớp
12G, trường THPT Nguyễn Huệ (Ninh Bình) đã được nhận giải Đặc biệt về chế tạo máy hàn cắt kim loại bằng nước
Hình 1.1 Hai học sinh làm máy hàn HHO ở Ninh Bình
Kỹ sư Vũ Hồng Khánh ở Hải Phòng cũng đã chế tạo thành công máy điều chế khí HHO vào năm 2010
Hình 1.2 Máy sản xuất khí Hydro tu nước
3 Hình 1.3 Thử nghiệm đốt cháy que hàn bằng đồng thau
Hình 1.4 Dry Cell lắp trên ô tô chạy thử nghiệm
Năm 2003, Tổng thống G Bush đã công bố "Sáng kiến nhiên liệu hydro" với ngân sách 1,2 tỷ USD cho nghiên cứu và phát triển, nhằm mục tiêu thương mại hóa ôtô chạy bằng pin nhiên liệu hydro vào năm 2020.
Vào năm 2014, dự án SafeFlame của các nhà khoa học châu Âu đã thành công trong việc chế tạo một máy hàn di động có khả năng tạo ra ngọn lửa từ nước Hệ thống điện phân nước thế hệ mới này không chỉ có chi phí chế tạo thấp hơn nhiều so với các công nghệ trước đây mà còn đảm bảo tính an toàn cao Kỹ thuật này mở ra triển vọng khai thác nguồn năng lượng sạch và an toàn từ điện phân nước, đặc biệt phù hợp cho ngành công nghiệp hàn, nhằm thay thế ngọn lửa oxy-axetylen truyền thống.
Chuyên gia Andrew Ellis cho biết, dự án này phát triển một hệ thống máy điện phân sử dụng điện và nước làm nguyên liệu đầu vào Hệ thống này tách nước thành khí Hidro và Oxy, và khi có lửa, sẽ tạo ra ngọn lửa đủ mạnh để hàn sắt hoặc phục vụ cho các ứng dụng công nghệ khác Nói tóm lại, đây là một cỗ máy biến nước thành lửa.
Nhà tư vấn công nghệ hàn, Rory Olney, cho biết rằng ngọn lửa từ thiết bị mới "mát" hơn nhiều so với ngọn lửa Oxy-axetylen trước đây, nhờ vào việc đầu vòi phun không bị làm nóng Hơn nữa, thiết bị này không phát ra ánh sáng chói lòa, giúp giảm thiểu tác động xấu của quá trình hàn lên mắt người Do đó, người dùng chỉ cần sử dụng kính thông thường mà không cần thiết bị bảo hộ mắt chuyên dụng.
Hình 1.5 Hàn ống nhôm trong dự án SafeFlame
Kết quả đạt được
Nhóm chúng em đã thành công trong việc chế tạo máy hàn sử dụng khí HHO, dựa trên các nghiên cứu về lý thuyết phương pháp hàn hơi và đặc điểm tính chất của khí HHO.
Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết
Phương pháp phân loại và hệ thống hoá lý thuyết
Phương pháp mô hình hóa: từ những cơ sở lý thuyết chúng em đã xây dựng thành mô hình nghiên cứu để có tính trực quan hơn
Phương pháp nghiên cứu lịch sử: tìm hiểu lịch sử hình thành và ứng dụng của công nghệ HHO
Các phương pháp nghiên cứu thực tiễn
Phương pháp thực nghiệm khoa học
Phương pháp phân tích và tổng kết kinh nghiệm
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khái quát về hàn khí
2.1.1 Thực chất, đặc điểm và công dụng của hàn khí
Hàn khí là quá trình nung nóng vật hàn và que hàn đến trạng thái hàn bằng ngọn lửa của khí cháy (C2H2, CH4, C6H6…) với O2
Hàn bằng khí oxy – axetylen là phương pháp phổ biến nhất do nhiệt độ cao (3200°C) sinh ra từ phản ứng cháy của hai khí này Đối với hàn dưới nước, ngọn lửa oxy và hidro được sử dụng.
Các loại khí tự nhiên khác có khả năng tự bốc cháy và giải phóng nhiệt từ phản ứng cháy tương tự như axetylen, nhưng ở mức độ thấp hơn Chúng có thể được sử dụng trong hàn do tính an toàn cao, nguy cơ cháy nổ thấp, dễ bảo quản và chi phí thấp hơn, mặc dù chỉ trong phạm vi hẹp.
Hình 2.1 Ảnh minh họa hàn hơi
- Thiết bị đơn giản, rẻ tiền, thuận lợi khi xa nguồn điện
- Có thể hàn các vật liệu khác nhau như thép, gang, đồng, nhôm
- Hàn những vật liệu có độ chảy thấp, các kết cấu mỏng
- Vật hàn dễ bị cong vênh, biến dạng, năng suất hàn thấp
Phương pháp hàn điện đang ngày càng phổ biến tại Việt Nam, chỉ sau hàn điện, và được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp và công trường Những lĩnh vực sử dụng hiệu quả nhất bao gồm hàn nối ống có đường kính nhỏ và trung bình, hàn vỏ ô tô, sửa chữa các chi tiết đúc bằng gang, hàn vảy, hàn đắp và hàn các chi tiết bằng kim loại màu.
8 những vùng xa nguồn điện
Ngọn lửa hàn được phân loại thành ba loại chính dựa trên tỷ lệ hỗn hợp khí hàn: ngọn lửa bình thường, ngọn lửa oxy hóa và ngọn lửa cacbon hóa Mỗi loại ngọn lửa này có ba vùng đặc trưng: vùng hạt nhân (màu sáng trắng), vùng hoàn nguyên (màu sáng vàng) và vùng oxy hóa (màu vàng sẫm có khói).
Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc ngọn lửa hàn I: nhân ngọn lửa - II: vùng cháy chưa hoàn toàn - vùng cháy hoàn toàn
Ngọn lửa này dùng nhiều trong hàn thép, đồng, bạc, kẽm
Vùng hạt nhân: O2 và C2H2 từ mỏ hàn đi ra, C2H2 bị phân hủy
Ngọn lửa màu sáng trắng, nhiệt độ thấp, thành phần giàu cacbon nên không dùng để hàn
Vùng cháy không hoàn toàn: C2H2 kết hợp với oxy theo phản ứng
Ngọn lửa màu sáng xanh, nhiệt độcao (3200 o C) có CO và H2 là các chất khử nên gọi là vùng hoàn nguyên, được dùng để hàn
Vùng cháy hoàn toàn: Sản phẩm của vùng trên cháy với oxy không khí
Vùng cháy không hoàn toàn xảy ra theo phản ứng sau:
Sau đó cháy tiếp với oxy không khí :
Phản ứng 2CO + H2 + 0,5O2 + O2 = 2CO2 + H2O tạo ra ngọn lửa ngắn với khoảng 6-7% O2 và 5% CO2, cho thấy tính oxy hóa mạnh mẽ Vùng giữa và vùng đuôi của ngọn lửa không phân biệt rõ ràng, với màu sắc sáng xanh đặc trưng Ngọn lửa này thường được sử dụng trong quá trình hàn hợp kim đồng và tôi bề mặt thép.
Sau đó cháy tiếp với oxy không khí :
Phản ứng hóa học CO + C + H2 + 2O2 = 2CO2 + H2O cho thấy quá trình cacbon hóa diễn ra trong ngọn lửa kéo dài, nơi có cacbon tự do tạo ra màu nâu sẫm Ngọn lửa này thường được sử dụng để hàn vẩy các hợp kim nhôm và gang.
Oxy là một khí không màu, không mùi, cần thiết cho quá trình cháy và nhẹ hơn không khí, chiếm 21% thể tích không khí Trong hàn khí, oxy được sử dụng là oxy kỹ thuật với độ tinh khiết cao.
98,5 – 99,5% và khoảng 0,5 – 1,5% tạp chất (N2, Ar) Trong kỹ thuật, oxy được sản xuất theo hai phương pháp:
+ Điện phân nước : phương pháp này khó khăn và tốn kém nên ít dùng
+ Làm lạnh không khí: Thực chất của phương pháp này là làm lạnh không khí đến xuống -182,06 o C
-195,8 o C nito bốc hơi -185,7 o C Ar bay hơi
-182,06 o C Oxy bay hơi Phương pháp này năng suất cao, lượng điện tiêu tốn ít
Oxy kỹ thuật có thể tồn tại dưới dạng lỏng hoặc khí Khi ở thể lỏng, oxy được chứa trong các bình thép và duy trì ở nhiệt độ thấp, với 1 lít oxy lỏng tương đương với 860 lít khí oxy Oxy hàn là một ứng dụng quan trọng của oxy trong công nghiệp.
10 thường bảo quản ở thể khí, để giảm thể tích bình chứa, thông thường oxy được nén ở áp suất cao trong bình thép dung tích 40 lít, 150at
Axetylen là khí cháy, công thức hóa học là C2H2, được sản suất từ đất đèn CaC2 theo phản ứng:
Đất đèn, một chất rắn màu xám tối hoặc nâu, được điều chế bằng cách nấu chảy đá vôi với than cốc hoặc than ăngtraxit trong lò điện ở nhiệt độ từ 1900 đến 2300 độ C Phản ứng hóa học diễn ra là: 2CaC2 + H2O → C2H2 ↑ + Ca(OH)2 + Q.
CaO + 3C = CaC2+ CO Đất đèn trong công nghiệp chứa khoảng 65 – 80%CaC2, 2,5 – 10%CaO, còn lại là tạp chất
Axetylen là một chất khí không màu, nhẹ hơn không khí và có mùi hắc đặc trưng Chất này dễ cháy và có khả năng gây nổ cao Việc hít phải axetylen trong thời gian dài có thể dẫn đến chóng mặt, buồn nôn và nguy cơ nhiễm độc.
C2H2 thuộc nhóm CnH2n-2, nhiệt độtừ -82,4 -83,6 o C ở thể lỏng, dưới -85 o C ở thể rắn, khi va chạm dễ nổ
Nhiệt độtự bốc cháy khoảng 420 o C ở áp suất 1at
Dễnổ ở áp suất >1,5at, trên 500 o C
Nếu áp suất < 3at, t < 540 sẽ xảy ra quá trình trùng hợp
Axetylen có khảnăng hòa tan trong nhiều chất lỏng với độ hòa tan lớn, đặc biệt là axeton, điều này giúp tính lượng C2H2 sinh ra khi điều chế
Hòa tan trong nước : 1,15 lít C2H2
Hòa tan trong benzel : 4 lít C2H2
Hòa tan trong dầu hỏa : 5,7 lít C2H2
Hòa tan trong axeton : 23 lít C2H2
Sự hòa tan của axeton trong công nghiệp đóng vai trò quan trọng, đặc biệt trong việc sử dụng các chất bột xốp như than gỗ, sợi amiang và đá bọt Những chất này được thấm ướt axeton và cho vào bình chứa, sau đó nén axetyle vào bình để tăng lượng khí C2H2, giúp giảm nguy cơ nổ trong quá trình dự trữ và vận chuyển khí.
- Các tạp chất trong khí Axetylen
Không khí: làm tăng khảnăng nổ, chỉcho phép 0,5÷1,5%
Hơi nước: làm giảm nhiệt độcủa ngọn lửa hàn
Hơi axeton (CH3COCH3): ảnh hưởng xấu đến quá trình hàn nên chỉ cho phép chứa 45 ÷ 50g/m3 C2H2
PH3: là chất có hại vì tăng khả năng tự nổ của hỗn hợp, cho phép 0,09%
H2S là chất gây hại cho chất lượng mối hàn, vì vậy nồng độ cho phép là từ 0,08% đến 1,5% Trong quá trình hàn, có thể sử dụng máy sinh khí di động gần khu vực hàn hoặc dẫn khí từ trạm cố định Ngoài ra, C2H2 được chứa trong các bình nạp sẵn có dung tích 40 lít và áp suất tối đa là 16 at.
Hidro, nguyên tố hóa học với nguyên tử số 1 và nguyên tử khối 1 đvC, là một khí lưỡng nguyên tử có công thức phân tử H2, không màu, không mùi và dễ bắt cháy Khi bị đốt trong không khí, hidro tạo ra nước, từ đó hình thành tên gọi "hydrogen" Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, hidro có nhiệt độ sôi là 20,27 K (-252,87 °C) và nhiệt độ nóng chảy là 14,02 K (-259,14 °C), với cấu trúc tinh thể lục phương Ngoài ra, hidro có hóa trị 1 và có khả năng phản ứng với hầu hết các nguyên tố hóa học khác.
Khí Hidro có tính cháy cao và sẽ cháy trong không khí trong khoảng nồng độ thể tích từ 4% đến 75%
Kim loại phụ trợ và thuốc hàn
Kim loại phụ trợ dùng để bổ xung kim loại cho mối hàn Kim loại phụ trợ cần đảm bảo một số yêu cầu :
Vật liệu giống vật liệu của vật hàn
Đường kính tương đương chiều dày vật hàn
Nhiệt nóng chảy nhỏ hơn so với của vật hàn
Không gây nên sự sôi và tạo bọt khí trong vùng hàn cũng như không đưa tạp chất vào mối hàn
Nên chọn loại dây có đường kính 0,3 ÷12mm
Có 2 loại kim loại phụ trợ thường dùng là: loại dây và loại que:
Trong quá trình hàn, kim loại và hợp kim có thể phản ứng với oxy, tạo ra oxit Để ngăn chặn sự oxy hóa và loại bỏ oxit trong hàn, việc sử dụng thuốc hàn là cần thiết Có nhiều loại thuốc hàn trong hàn khí, nhưng tất cả đều phải đáp ứng các yêu cầu nhất định.
Thuốc hàn có nhiệm vụ hoàn nguyên kim loại
Dễchảy, nhiệt chảy nhỏ hơn so với của kim loại cơ bản và que hàn
Không tỏa khí độc hại và ảnh hưởng xấu đến mối hàn
Giữ được tính chất trong suốt quá trình hàn, rẻ tiền, dễ kiếm
Tác dụng của thuốc hàn là tránh sự oxy hóa mối hàn, loại bỏ các oxit kim loại tạo thành trong quá trình hàn
Tùy theo tính chất của kim loại hàn mà dung thuốc hàn có tính axit hay bazo
H2BO3 Na2B4O7 Na2HPO4 K3CO3 NaCl
Bảng 2.1 Thành phần thuốc hàn đồng và hợp kim đồng (%)
Na2B4O7 Na2CO7 K3CO3 NaNO3 NaHCO3
Bảng 2.2 Thành phần thuốc hàn gang (%)
Giới thiệu lịch sử khí HHO
Khí HHO là hỗn hợp khí gồm Hydro (H2) và Oxy (O2) với tỷ lệ 2:1 theo khối lượng Đây là sản phẩm chính của quá trình điện phân nước, một phương pháp đã được phát minh từ nhiều năm trước.
1978 bởi Yullo Brown nên còn được gọi là khí Brown
Yullo Brown, một giáo sư người Bulgaria sống tại Australia, đã sớm nhận ra những đặc tính đặc biệt của khí HHO và phát triển phương pháp tạo ra khí này từ nước với chi phí thấp Ông là một trong những người tiên phong trong việc ứng dụng khí HHO để tăng cường hiệu suất động cơ đốt trong và thay thế các loại khí hàn truyền thống Brown phát hiện ra rằng chỉ cần một lượng nhỏ năng lượng điện từ các tấm điện cực ngâm trong nước có thể đủ để phá vỡ các liên kết phân tử, tạo ra khí HHO hiệu quả.
14 của nước tạo thành khí HHO với hiệu suất cao hơn sử dụng các phương pháp cũ sử dụng cường độ dòng điện lớn
Trong các nghiên cứu gần đây, HHO được xác định là một dạng mới của nước với công thức cấu tạo (H×H)-O, trong đó “×” biểu thị liên kết đôi và “-” biểu thị liên kết đơn Trước khi điện phân, nước có công thức H-O-H ở dạng lỏng, nhưng sau quá trình điện phân, nó chuyển thành (H×H)-O ở dạng khí Tuy nhiên, cấu trúc này không bền và sẽ phân hủy thành khí H2 và O2.
Nước đóng vai trò thiết yếu trong cuộc sống, và ít ai biết rằng nước cũng có thể được coi là một loại nhiên liệu Để sử dụng nước như một nguồn năng lượng, cần tách H2O thành hydro và oxy Khi hai khí này kết hợp, chúng tạo thành HHO, một loại nhiên liệu có khả năng cháy, nhưng thực tế HHO lại có tính nổ.
HHO cháy với tốc độ rất nhanh, dẫn đến quá trình đốt cháy được coi là một vụ nổ Tốc độ ngọn lửa của HHO vượt xa so với xăng.
HHO, một hỗn hợp khí hoàn hảo gồm hydro (H2) và oxy (O2), khi đốt cháy sẽ chuyển hóa thành hơi nước và ngưng tụ thành nước, tạo ra khí thải sạch cho động cơ Với tỷ lệ lý tưởng 2:1 giữa hydro và oxy, HHO không chỉ là nhiên liệu xanh mà còn có ứng dụng trong hàn và xử lý vật liệu chịu lửa Để tránh ngọn lửa oxy hóa, tỷ lệ thực tế thường là 4:1 hoặc 5:1 HHO có thể tự bốc cháy ở nhiệt độ khoảng 570 °C (1065 °F) với năng lượng tối thiểu cần thiết chỉ khoảng 20 microjoules Khi cháy, hỗn hợp này giải phóng 241,8 kJ năng lượng cho mỗi mol H2 và đạt nhiệt độ tối đa lên tới 2.800 °C (5.070 °F), cao hơn khoảng 700 °C so với ngọn lửa hydro trong không khí.
HHO đã được đầu tư nhiều năm nghiên cứu và xây dựng Hãy nhớ rằng, HHO thì nổ và không bao giờ lưu trữ HHO
So sánh với các nghiên liệu khác
Vì khí Hydro chiếm chủ yếu trong khí HHO cho nên tính chất chủ yếu của khí HHO là các tính chất của khí Hydro
Phương pháp này sử dụng nước để tạo ra lửa thông qua một hệ thống điện phân, trong đó nước được tách thành khí hydro và oxy Hai loại khí này sau đó được đưa vào một ngọn đuốc để tạo ra ngọn lửa.
Theo Euronews, ngọn lửa từ hệ thống mát hơn và dễ xử lý hơn so với các ngọn lửa nóng được tạo ra từ khí oxy kết hợp với propan hoặc acetylene, có thể được ứng dụng trong hàn xì và các lĩnh vực công nghiệp khác cần sử dụng lửa.
Theo Andrew Ellis, chuyên gia từ ITM Power, đội ngũ hóa học đã phát triển một công thức màng ngăn mới nhằm nâng cao hiệu suất điện phân Họ đã thực hiện nhiều thử nghiệm với chất xúc tác để giảm thiểu lượng platinum và thay thế bằng các vật liệu rẻ hơn Nhờ vào công nghệ này, chi phí cho hệ thống điện phân có thể giảm đáng kể so với các phương pháp truyền thống.
Rory Olney, chuyên gia tư vấn trong ngành hàn xì, cho biết rằng ngọn lửa này nhẹ hơn so với ngọn lửa từ khí oxy và acetylene Nhiệt độ ở đỉnh ngọn đuốc không quá mạnh, vì vậy ánh sáng phát ra từ ngọn lửa này không gây hại cho mắt.
Hệ thống mới mang lại lợi ích đáng kể với ngọn đuốc sinh ra lửa luôn lạnh và không bị nóng khi sử dụng, vì lửa được tạo ra và bốc cháy bên ngoài ngọn đuốc Điều này giúp ngọn lửa duy trì trạng thái lạnh ngay cả sau khi ngừng sử dụng, cho phép người dùng đặt ngọn đuốc ở bất cứ đâu theo ý muốn.
Việc sử dụng acetylene để tạo lửa theo phương pháp truyền thống đã bị cấm ở những khu vực có nguy cơ rò rỉ khí, do tiềm ẩn nguy hiểm và bất tiện Ngoài ra, ngọn lửa nóng được sinh ra từ phương pháp này cần được xử lý cẩn thận khi tiếp xúc với các kim loại nhạy cảm như nhôm.
Phương pháp này rẻ hơn 20 lần so với khí đốt từ acetylene nhờ vào việc giảm thiểu chi phí lưu trữ, bảo hiểm và vận chuyển Do đó, các doanh nghiệp vừa và nhỏ sẽ có cơ hội tận dụng những lợi ích này khi công nghệ được thương mại hóa trong tương lai gần.
Khối lượng phân tử (g/mol) 26,037 0,0838
Tốc độ cháy (cm/s) 133(cao nhất khi cháy với tỷ lệ C2H2:O2 1:1,2) 237
Năng suất toả nhiệt (MJ/kg) 54,6 120
Trọng lượng riêng (kg/cm 3 ) 26,037 0,0838
Bảng 2.3 So sánh HHO với axetylen
So với axetylen, HHO có năng suất tỏa nhiệt cao hơn, nghĩa là khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu, HHO sinh ra nhiều nhiệt lượng hơn Do đó, việc sử dụng HHO không chỉ hiệu quả mà còn tiết kiệm hơn khi tiêu thụ cùng một lượng nhiên liệu.
Tính chất Dầu mỏ Khí Hydro
Khối lượng phân tử (g/mol) 721-785 0,0838
Năng suất toả nhiệt (MJ/kg) 44 120
Trọng lượng riêng (kg/cm 3 ) 721-785 0,0838
Bảng 2.4 So sánh HHO với dầu mỏ
So với dầu mỏ, HHO là một loại nhiên liệu hoá thạch có năng suất toả nhiệt cao hơn, nghĩa là khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg HHO sẽ giải phóng nhiều nhiệt lượng hơn Điều này cho thấy HHO có tiềm năng lớn trong việc sử dụng làm nguồn năng lượng hiệu quả hơn trong tương lai.
17 nhiên liệu dùng để đốt thì HHO sinh ra nhiều nhiệt lượng hơn vì vậy sử dụng HHO tiết kiệm hơn.
Ứng dụng khí HHO
2.4.1 Nhiên liệu phụ trợ cho động cơ đốt trong
Khí HHO đã được giới thiệu như một nguồn năng lượng mới cho ngành công nghiệp ô tô Bài viết này đề xuất thiết kế một thiết bị nhỏ gọn để sản xuất HHO, có thể lắp đặt trong khoang động cơ của xe chạy bằng xăng Thiết bị này đã được thiết kế, xây dựng, tích hợp và thử nghiệm trên động cơ xăng, nhằm nâng cao hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.
Thí nghiệm trên động cơ xi-lanh đơn 197cc (Honda G 200) cho thấy diện tích bề mặt tối ưu của chất điện phân cần gấp hai mươi lần diện tích bề mặt piston để sản xuất đủ HHO Mục tiêu cuối cùng là giảm 20-30% mức tiêu thụ nhiên liệu, hạ nhiệt độ khí thải và giảm ô nhiễm Hydrogen, nguyên tố hóa học nhẹ nhất, là khí không màu, không mùi và không vị, dễ cháy trong nồng độ từ 4-94% Nó hoàn toàn vô hại cho con người và môi trường, đồng thời an toàn cho tất cả các động cơ đốt trong.
Khí HHO không phải là một nhiên liệu thay thế cho xăng mà là một phụ gia giúp tăng hiệu quả của động cơ Động cơ xăng thường chỉ đạt hiệu suất khoảng 18% đến 20%, dẫn đến nhiều vấn đề cần cải thiện Sử dụng khí HHO có thể nâng cao hiệu quả động cơ, vì hydro dễ cháy hơn xăng, giúp tạo ra vụ nổ mạnh mẽ hơn khi kết hợp với xăng, từ đó mang lại kết quả tốt hơn với ít chất thải và phát thải hơn.
Hình 2.5 Sử dụng khí HHO trong xe hơi
Giảm chi phí nhiên liệu đến 30%
Tăng hiệu suất của xe
Giảm lượng khí thải CO2
Giảm nhiệt độ trong động cơ
Loại bỏ lượng khói bám vào động cơ
Giảm tiếng ồn và rung động trong động cơ
Tăng tuổi thọ của động cơ
2.4.2 Cắt thép cacbon khi sử dụng khí HHO
Nhiên liệu truyền thống đang được thay thế trong các phương pháp cắt như cắt thủ công, cắt bán tự động, cắt tự động, cắt hình và cắt CNC Những đặc điểm nổi bật của công nghệ mới này bao gồm khả năng tạo ngọn lửa tập trung, gia nhiệt nhanh chóng, cắt chính xác, không tạo xỉ, không gây ô nhiễm và không độc hại Hơn nữa, công nghệ này không yêu cầu bình bể chứa khí, giúp tiết kiệm chi phí một cách tối ưu Ngành ứng dụng của nó rất đa dạng, bao gồm cơ khí chế tạo, vật liệu xây dựng, đóng tàu và nhà máy sản xuất thép.
2.4.3 Hàn sử dụng khí HHO
Máy hàn sử dụng khí HHO là một ứng dụng phổ biến của máy sản xuất HHO / máy hàn dùng nước
Máy sản xuất HHO, còn được biết đến với nhiều tên gọi như máy sản xuất khí Nâu, máy hàn dùng nước, máy hàn oxy nước, máy hàn hydro nước, và máy tạo ngọn lửa hydro từ nước, là thiết bị tiên tiến giúp tạo ra năng lượng hydro – oxy Các loại máy này không chỉ phục vụ cho việc hàn mà còn có ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp khác.
Máy cắt và máy nung sử dụng hydro - oxy là các thiết bị sản xuất hydro và oxy thông qua quá trình điện phân nước.
Máy hàn hiện đại dễ vận hành, cho phép hàn nhanh và chính xác với điểm hàn mịn đẹp, đồng thời thân thiện với môi trường và siêu tiết kiệm năng lượng Ứng dụng của máy hàn rất đa dạng, bao gồm hàn vàng bạc, nữ trang, kim hoàn, nha khoa, hàn dây tráng men, hàn dây kim loại, hàn cặp nhiệt điện, hàn điện trở, hàn thiết bị đo lường, hàn ống đồng điện lạnh, hàn ống xả khói, hàn móc câu, hàn tấm thiếc pin và hàn phụ kiện chiếu sáng.
Nguyên lý tạo khí HHO
Hình 2.6 Nguyên lý tạo khí HHO
Khí HHO là sự kết hợp của hai khí hydro (H2) và oxy (O2) Phương trình hóa học đơn giản để chuyển đổi nước (chất lỏng) thành khí HHO có thể được diễn tả như sau:
Với sự giúp đỡ của dòng điện một chiều tới các tế bào điện phân để phân tách nước thành hydro và oxy
Chất xúc tác có khả năng tăng tốc quá trình hóa học mà không làm thay đổi thuộc tính của chính nó, với mục đích chính là giảm năng lượng cần thiết cho sự chuyển đổi Phương trình hóa học dưới đây sẽ minh họa các chức năng của chất xúc tác.
2 H2O (l) + XÚC TÁC + NĂNG LƯỢNG → 2H2 + O2 + XÚC TÁC
Kết quả là, hydro (H2) cũng như oxy (O2) sẽ được sản xuất trong khi tách nước Quá trình hóa học sau đây sẽ xảy ra:
Cathode: 4 H2O (l) + 4 e- →2 H2 (g) + 4OH-(aq) Anode: 4OH-(aq) - 4e- →O2 (g) + 2 H2O (l) Net: 2 H2O (l) →2 H2(g) + O2(g)
Lượng khí HHO sản xuất phụ thuộc vào diện tích tấm điện cực và điện áp nguồn điện dùng cho quá trình điện phân Để thực hiện điện phân hiệu quả, cần đảm bảo điện áp tối thiểu phù hợp.
Quá trình điện phân đạt hiệu quả tối ưu với điện áp 1,69 V khi sử dụng NaOH làm chất xúc tác và 1,67 V với KOH Khi điện áp tăng, lượng khí sản xuất cũng tăng theo, nhưng nếu điện áp vượt quá mức cho phép, cường độ dòng điện sẽ tăng, sinh ra nhiều nhiệt và làm giảm hiệu quả quá trình điện phân do nước bị bốc hơi.
Các loại thiết bị tách nước tạo khí HHO
Thiết bị tách nước thành khí HHO hoạt động dựa trên quá trình điện phân để sản xuất khí Hydro và Oxi Trong quá trình này, dòng điện một chiều được truyền qua điện cực vào nước, dẫn đến phản ứng hóa học tạo ra khí Oxi ở các tấm điện cực dương và khí Hydro ở các tấm điện cực âm.
Nước tinh khiết không dẫn điện, do đó cần thêm chất xúc tác để tăng hiệu suất điện phân Chất xúc tác giúp giảm điện trở kháng của nước, và NaOH được chọn làm chất xúc tác trong quá trình này Sau khi thêm NaOH vào nước lần đầu, các lần sau chỉ cần bổ sung nước khi dung dịch điện phân cạn, vì chất xúc tác không bị mất đi trong quá trình điện phân.
2.6.1 Các loại thiết bị điện phân chủ yếu
Có 2 loại thiết bị điện phân là wet cell và dry cell Cả 2 loại đều hoạt động theo nguyên lý điện phân, nghĩa là đều xảy ra phản ứng:
Sự khác biệt chính giữa các loại pin nằm ở thiết kế của chúng Pin "Wet cell" có các tấm điện cực ngâm trong dung dịch nước, trong khi pin "Dry cell" kết nối dòng điện với các cạnh của tấm điện cực, được cách ly khỏi dung dịch điện phân bằng các tấm đệm từ vật liệu cách điện.
Trong phương pháp này, các tấm điện cực và kết nối với nguồn điện một chiều được kết nối với các tấm điện phân ngâm trong dung dịch điện phân Ưu điểm của phương pháp này là dễ chế tạo và lắp ráp, tuy nhiên nhược điểm lớn là nhiệt sinh ra trong quá trình điện phân không thoát ra ngoài, dẫn đến hiện tượng nước bốc hơi nhiều hơn trong dung dịch và hòa lẫn vào khí HHO tạo ra.
Hình 2.7 Mô hình điện phân kiểu Wet Cell
Hình 2.8 Wet Cell trong thực tế 2.6.3 Dry Cell
Trong thiết kế này, các cạnh bên ngoài của tấm điện phân và các kết nối với dòng điện được tách biệt khỏi dung dịch điện phân Mỗi tấm điện phân được trang bị một tấm cách điện, giúp cách ly các cạnh của tấm điện phân với dung dịch điện phân.
“Wet cell” và “Dry cell” đều sử dụng chung một nguyên tắc điện phân nước để tạo khí HHO
23 Hình 2.9 Mô hình điện phân nước kiểu Dry Cell
Hình 2.10 Dry Cell trong thực tế
THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN
Biện luận và chọn phương án
Ngày nay phương pháp điện phân sử dụng bình điện phân kiểu “Dry cell” được sử dụng chủ yếu vì các lý do chính sau:
Khi tấm điện cực được ngâm trong nước, các cạnh tiếp xúc với dung dịch điện phân, dẫn đến lãng phí trong quá trình sản xuất khí HHO Bằng cách cách ly các cạnh khỏi dung dịch điện phân, giống như trong "Dry cell", dòng điện trong quá trình điện phân sẽ phải truyền qua bề mặt các tấm điện cực, tối ưu hóa hiệu suất.
Điện cung cấp cho quá trình điện phân được sử dụng hiệu quả hơn, là một trong những lý do chính khiến thiết kế kiểu "Dry cell" trở nên phổ biến hơn.
Các kết nối dòng điện một chiều với tấm điện cực có nguy cơ bị phá hủy do ăn mòn điện hóa khi ngâm trong dung dịch điện phân Thiết kế "Dry cell" giúp cách ly các kết nối này khỏi dung dịch điện phân, với dung dịch được lưu trữ trong bình chứa riêng biệt và tuần hoàn, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất khí HHO và giảm thiểu nhiệt sinh ra.
Do đó chúng em chọn thiết kế Dry Cell trong luận văn tốt nghiệp này.
Sơ đồ nguyên lý hoạt động
Hình 3.1 Hệ thống máy hàn khí HHO
Sơ đồ nguyên lý của máy hàn HHO cho thấy quá trình hoạt động của thiết bị Khi cấp dòng điện xoay chiều 220V vào máy biến áp 1 pha, đầu ra sẽ là dòng điện 1 chiều 48V Tiếp theo, cực âm và cực dương được kết nối vào hai tấm điện cực của Dry Cell, dẫn đến quá trình điện phân dung dịch trong Dry Cell và tạo ra khí HHO Khí và dung dịch sẽ được dẫn lên bình chứa, trong đó dung dịch được giữ lại để cung cấp cho hoạt động của Dry Cell, còn khí sẽ được dẫn qua bình lọc khí, qua van an toàn và ra ngoài để sử dụng cho đèn hàn Khi đã chuẩn bị xong, chỉ cần mồi lửa để bắt đầu hàn.
Thiết kế dry cell
Các tấm giữ được làm bằng Mica cách điện, cứng, không thấm nước hình vuông kích thước 160x160 mm dày 10 mm
Đặc điểm kỹ thuật: trọng lượng nhẹ, chịu được lực tác động lớn, không thấm nước, cách điện, cách nhiệt, không độc hại
Trên các tấm giữ, cần khoan các lỗ với đường kính 16,2mm để kết nối với hệ thống bình chứa dung dịch điện phân, đồng thời tạo lỗ thoát cho khí HHO trong buồng điện phân trở về các bình chứa.
Hình 3.2 Bản vẽ các tấm giữ
Các tấm trung tính có kích thước 120x120 được vát 4 góc như hình 3.3 Các lỗ
10 phải được gia công với độ chính xác cao để lúc lắp ráp tạo thành các đường thông suốt với nhau giúp cho khí thoát ra nhanh hơn
Hình 3.3 Bản vẽ các tấm trung tính
Hình 3.4 Tấm trung tính trong thực tế 3.3.3 Tấm điện cực
Các tấm trung tính kích thước 120x120 được thiết kế với các góc vát, với một góc còn lại để kết nối với hai cực của nguồn Để đảm bảo hiệu suất lắp ráp, các lỗ có đường kính 10mm cần được gia công với độ chính xác cao, giúp tạo ra các đường thông suốt cho khí thoát ra nhanh chóng.
Hình 3.5 Bản vẽ tấm điện cực
Hình 3.6 Tấm điện cực thực tế
Các tấm cách điện có kích thước 2mm được chế tạo từ silicon, nhằm mục đích cách ly dung dịch điện phân khỏi các cạnh của tấm điện cực và các kết nối điện.
Hình 3.7 Bản vẽ tấm cách điện
3.3.5 Vật liệu làm điện cực và tấm trung tính
Có nhiều loại vật liệu để chế tạo tấm điện cực, mỗi loại đều có ưu và nhược điểm riêng Trong bài viết này, chúng tôi chọn thép không gỉ 304 làm vật liệu chính cho các tấm điện cực Công thức hóa học của thép không gỉ 304 là
Fe,
