2019 december 5 - csütörtök

2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2

Az itt ismertetett impulzusos elektrolízissel végzett kísérleteinket tovább folytattuk és még jobb eredmé-nyeket értünk el. Ezekről a kísérletekről olvashatsz ezen az oldalon.

A kísérleteket Zsolti és én, Tibor ketten végeztük.

Az elektrolizáló tartály megegyezett az előző kísérleteknél használttal, a mérésekhez használt kétcsatornás oszcilloszkópot pedig az egyik Olvasótól, Lacitól kaptuk kölcsön.

Kep001_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2

1. ábra. Az elektrolizáló tartály és a műszerek

Mivel az előző kísérletek befejeztével nem öntöttük ki a tartályból az elektrolit oldatot, ezért az oldatból kivált a benne lévő NaOH fehér kristály formájában. Az érdekesség az volt, hogy a kristályok az elektródákra kapcsolt rézvezetékek és az őket szigetelő piros-kék színű műanyag szigetelő közötti nagyon kicsi "résen" keresztül távozott a szabadba, ahol kristálykupac formájában gyűlt össze. Ez az elektrolit viszont oxidálta a rézvezetékeket is, így nem tudtuk őket már használni. Az egyszerűség kedvéért csak egy vezetékpárt cseréltünk le, így a kísérletek nagy részén csak négy darab párhuzamosan kapcsolt elektróda lemezzel dolgoztunk. A 100*150 mm-es elektródalemezek rozsdamentes acélból készültek, a távolság közöttük 1 mm volt. Ezt mutatja a következő ábra.

elektr_1 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2

2. ábra. Az elektrolizáló felépítése

Az elektronika ismertetése

kapcs_rajz_imp_elektr 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2

3. ábra. Az elektronika kapcsolási rajza

Az impulzusok előállítására szolgáló elektronikát az előző kísérlethez képest egy kissé átalakítottuk:

  • Az első különbség az volt, hogy két számláló helyett csak egyet tartalmazott a kapcsolás. Ezáltal ugyan nem lehetett olyan keskeny impulzusokat előállítani, mint az előző megoldásnál, viszont egyszerűsödött az áramkör.
  • A másik különbség az volt, hogy csak egy darab végfokozatot használtunk.
  • A harmadik különbség az, hogy az elektrolizálóval párhuzamosan kötöttünk öt darab nagyáramú diódát (B10010) a negatív irányú tűimpulzusok levágására.
  • A negyedik különbség az, hogy a CD4011-es IC kimenete nem közvetlenül kapcsolódik az IR2121 meghajtó IC bemenetére, hanem három darab NEM kapun keresztül. Erre azért volt szükség, mert az elektronika átépítése során többször is tönkrement a CD4011-es NAND kapukat tartalmazó IC, míg végül rájöttünk, hogy a kimenetéről túl nagy áramot akar levenni az IR2121, így növelni kellett a kimeneti áramot. A három darab NEM kapu az órajeleket előállító CD4069-es IC három szabad kapuja, így nem kellett egy újabb IC-t felhasználnunk.
  • Az ötödik eltérés volt a leglényegesebb, azaz az elektrolizálót nem közvetlenül a +12 V-ra kapcsoltuk, hanem egy ellenálláson (R1) és egy diódán (D1) keresztül jutott a tápfesz az elektrolizáló készülékre. A dióda utáni résznél az elektrolizálóval egy kondenzátort (C1) kötöttünk párhuzamosan. Ennek az átalakításnak az volt a célja, hogy az impulzusokhoz szükséges nagy áramokat ne közvetlenül a tápforrásból vegye az elektrolizáló, hanem a jóval kisebb áramokkal előre feltöltött kondenzátorból. Erről bővebben itt olvashatsz.

Az R1 ellenállás, a D1 dióda és a C1 kondenzátor értékei a következő tényezőktől függnek:

  • a töltési/kisütési áramtól
  • a kitöltési tényezőtől és
  • az órajel frekvenciájától

Jelen kísérleteknél az órajel frekvenciája 120 000 Hz volt. A kitöltési tényező függvényében azonban ez leosztódott kettővel, néggyel stb. Átlagos kitöltési tényezőnek 12,5 %-ot vettünk.

t = R1 * C1

Az R1 ellenállás értékét a töltőáram határozza meg, ami viszont a kitöltési tényező függvénye. Az első kísérleteknél kisebb áramokkal szerettük volna vizsgálni a kitöltési tényező függvényében változó vízbontási hatásfokot, ezért kb. 2 A-re korlátoztuk a töltőáramot úgy, hogy 6 db 33 W / 5 W-os ellenállást kötöttünk párhuzamosan. Ekkor a maximálisan megengedett töltőáram:

Itölt = Utáp / R1 = 12 V / 5,5 W = 2,2 A

120 000 Hz-nél a periódusidő t0 = 1 / fg = 1 / 120000 = 8,33 ms. Átlagos kitöltési tényezőnek 12,5 %-ot vettünk, ezért a töltési idő 7/8-a a periódusidőnek, azaz a C1 kondenzátor feltöltési ideje:

ttölt = t0 * 7 / 8 = 8,33 ms * 7 / 8 = 7,29 ms

Ennek alapján meghatározhatjuk a C1 kondenzátor értékét is:

C1 = ttölt / R1 = 7,29 * 10-6 s / 5,5 W = 1,32 mF.

Mivel 4,7 mF-os kondenzátor volt kéznél, ezért ezt használtuk a C1-nek.

A D1 diódánál az volt a lényeg, hogy az R1 ellenálláson átfolyó áramokat (jelen esetben 2,2 A-t) nyitóirányban gondtalanul átengedje, ezért egy 10 A-es diódát használtunk. (B10010)

Ezzel az elektronikával 3,33 %-os kitöltési tényezőjű impulzusokat is előállíthatunk, a legszélesebb impulzus pedig 50 %-os. A kitöltési tényezőt a K0-K3 kapcsolók segítségével tudjuk diszkréten (lépésekben) beállítani. Az osztó IC-nél legalább egy kapcsolónak be kell lennie kapcsolva. Ha egy sincsen bekapcsolva, akkor nem számol az osztó és csak egy állandó magas szintű jel jelenik meg a kimenetén.

A következő táblázat abban segít, hogy a különböző kapcsolóállások és órajel frekvenciák mellett megkapd a kitöltési tényezőt és a jel illetve a szünet idejét.

Órajel: Hz
K0
K1
K2
K3
Imp. frekvenciája Periódus idő Kitöltés Szünet Jel
0 Hz
0 ms
0 %
0 ms
0 ms
	
	

1. táblázat. A kapcsolóállások és az órajel hatása a kitöltési tényezőre és a jel hosszára

A megépített elektronikát a 4. ábrán láthatod.

Image_082 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2

4. ábra. A megépített elektronika

A 4. ábrát figyelve több IC-t látunk, mint amennyi a kapcsolási rajzon szerepel. Ennek oka az, hogy a kísérlet során tönkrement IC-ket nem forrasztottuk ki, részben pedig nem használtuk a működő áramkörök egy részét. Az 1-es panelon a fehér négyszög alakú alkatrészek a 33 W / 5 W-os ellenállások. Azért nem csak hat darabot látsz, mert előre beforrasztottunk többet is, hogy ha esetleg az áramokat növelni kellene, akkor csak összeforrasztjuk a csatlakozási pontoknál és már folytathatjuk is a kísérleteket.

Még egy érdekesség. Az itt bemutatott kísérleteinknél is használt, István által kölcsönadott 5 V / 120 A-es tápegységgel terveztük a kísérletek elvégzését, azonban két napig egy érthetetlen problémával álltunk szemben: A jelek eljutottak az IR2121 meghajtó IC bemenetére, de onnét már nem ment tovább a jel a FET meghajtására. Kipróbáltuk másik IC-vel és másik FET-tel is, de az eredmény ugyanaz volt. Végül az IR2121 adatlapját átnézve kiderült, hogy a legalacsonyabb tápfeszültségnek is el kell érnie a 12 V körüli értéket. Ezzel az információval felvértezve és magasabb tápfeszültséget használva már működött a FET driver és végre nekiláthattunk a kísérleteknek.

Kísérletek az elektrolízissel

Az ismertetésre kerülő kísérletekben tiszta csapvizet illetve Trisót használtunk elektrolitként. A feszültséget és az áramot voltmérővel és oszcilloszkóppal egyaránt mértük. Az áramok oszcilloszkópos méréséhez 20 db párhuzamosan kötött 0,1 W-os ellenállást használtunk, melynek eredő értéke 0,005 W volt. Viszont a mérőműszerhez csatlakozó vezetékek ellenállását is figyelembe kellett venni, így a feszültség és árammérés alapján meghatározott tényleges sönt ellenállás 0,011 W, azaz 11 mW volt.

A termelt gáz mennyiségét az itt leírtak szerint mértük.

A kísérletek mindegyikénél 12 V-os autóakkumulátort használtunk a táplálásra.

A pontos kitöltési tényező meghatározása

Mivel a kitöltési tényezők nem pontosan a számított értékek voltak, ezért a következő sorokban bemutatjuk a tényleges kitöltési tényezők meghatározásának módját.

Az órajel impulzusait a következő ábrán láthatod.

Viz_81 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2

5. ábra. Az órajel impulzusai

Mint az 5. ábrán jól láthatjuk, az órajel kitöltési tényezője nem pontosan 50 %, mivel a jel ideje valamivel kevesebb, mint a teljes periódus idejének a fele. Az órajel frekvenciája fg = 120 000 Hz, ebből a periódusidő T = 1 / fg = 1 / 120 000 = 8,33 ms. Az 5. ábrán is valamelyest látható – bár a szkóp jobb beállításával még pontosabban lemérhettük – hogy az impulzus ideje timp = 3,6 ms, a periódusidő fele viszont 4,16 ms. A kitöltési tényező ezek szerint:

k = timp * 100 / T = 3,6 ms * 100 / 8,33 ms = 43,21 %

Ezt kerekítsük 43 %-ra.

A következő ábrákon a CD4011-es IC 3. lábán megjelenő különböző kitöltési tényezőjű impulzusok láthatók.

~50 %-os kitöltés
~25 %-os kitöltés
~12 %-os kitöltés
~6 %-os kitöltés
~3 %-os kitöltés
Viz_81_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Viz_93_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Viz_95_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Viz_104_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep003_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2

6. ábra. A CD4011-es IC 3. lábán megjelenő különböző kitöltési tényezőjű impulzusok

Mivel mindegyik kitöltésnél ugyanaz az órajel impulzusideje, azaz 3,6 msec, a frekvencia pedig az órajel frekvenciájának egész számú leosztása, ezért könnyen meghatározhatjuk a tényleges kitöltési tényezőket. Ezt mutatja a következő táblázat.

Osztó
Frekvencia
Periódus idő
Elméleti kitöltés
Gyakorlati kitöltés (k)
1
120 000 Hz
8,33 ms
50,00 %
43,00 %
2
60 000 Hz
16,66 ms
25,00 %
21,50 %
4
30 000 Hz
33,33 ms
12,50 %
10,75 %
8
15 000 Hz
66,66 ms
6,25 %
5,37 %
15
8 000 Hz
125,00 ms
3,33 %
2,88 %

2. táblázat A tényleges kitöltési tényezők a K0-K3 kapcsolók különböző állapotaiban

A kísérleteket ezekkel a pontosan meghatározott kitöltési tényezőjű impulzusokkal végeztük el és a számításoknál is a gyakorlati kitöltéssel (k) számoltunk.

1. kísérlet

A kísérlet célja az volt, hogy összehasonlítsuk a vízbontón mért feszültség és áram alakját a Dcs dióda nélkül és azzal együtt. Mint feljebb már említettük, a Dcs dióda öt darab párhuzamosan kapcsolt 10 A-es diódából állt.

A következő ábrán a feszültségek alakjának a változásait figyelhetjük meg a Dcs rákapcsolásakor.

Kep026_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2

Dcs dióda nélkül

Kep027_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2

Dcs diódával

7. ábra. A vízbontón mért feszültség alakja

A 7. ábrán a kitöltési tényező 21,5 %. Jól látszik hogy a Dcs dióda nélkül az impulzus ideje hosszabb és egy -9 V-hoz közeli negatív irányú tűimpulzus is megjelenik, ami egy lecsengő rezgést generál.

A Dcs dióda bekötésekor ez a negatív tűimpulzus megszűnik, csak 0 V körüli lefelé mutató tüske marad, amit egy rövid idejű egyenfeszültség követ, majd a Dcs dióda nélkül megjelenő lecsengő rezgés vége jelenik meg. A rezgések lecsengésekor az impulzus megszűnésekor kialakuló rövid idejű egyenfeszültségnél nagyobb értékű feszültségszint mérhető. Azt is érdemes megfigyelni, hogy a Dcs dióda jelenlétekor kb. 20 %-kal csökken az impulzus szélessége.

Az áram alakja a Dcs dióda jelenlétével úgy változott, hogy a negatív irányú tűimpulzusok amplitúdója kb. 30 %-kal csökkent, de nem szűnt meg. Ez azzal magyarázható, hogy az általunk használt dióda nem volt elég gyors.

Kep012 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2

8. ábra. Az áram alakja a Dcs diódával

Ha jobban megnézzük a 8. ábrát, akkor látjuk, hogy az áram alakja tulajdonképpen két lecsengő rezgést mutat. Az első rezgés az impulzus bekapcsolásakor keletkezik, a második pedig a kikapcsolásakor. A bekapcsolási rezgés első impulzusának amplitúdója jóval kisebb, mint a kikapcsoláskor keletkezett első impulzusé. Mi a számításaink során csak az első lecsengéssel foglalkozunk, hiszen abba fektettünk energiát.

A kérdés az, hogy miért lecsengő rezgést látunk az impulzus bekapcsolásakor, miért nem olyan szabályos alakzatot, mint ahogy azt az itt bemutatott méréseknél láttuk? Igazán ezen a kísérlet végzésekor nem gondolkoztunk el, csak később. A 3. és 4. kísérletnél még szólunk majd arról, hogy a víz vezetőképességének növelésével nem nött a FET-en átfolyó áram, csak egy bizonyos értékig. Csak később jöttünk rá, hogy valószínűleg valami gond van a FET-tel. A Dcs dióda nélkül is a 8. ábrán látható alakzathoz hasonló hullámformát láttunk.

Megjegyzés:

Annak ellenére, hogy a FET nem működött hibátlanul, az itt közölt mérések és számítások helyesek, mivel a mért áramok folytak keresztül a vízbontón, a mért feszültségek estek a vízbontón és a mért gázmennyiség keletkezett a vízbontóban. A számításaink ezekre a mért eredményekre alapulnak!

2. kísérlet

A kísérlet célja az volt, hogy kevés Trisót szórva a csapvízbe, lemérjük a vízbontás hatásfokát különböző kitöltési tényezők mellett. Az elmélet azt sugallta, hogy a kitöltési tényező csökkentésével növekednie kell a hatásfoknak. Ezt szerettük volna kísérletekkel is igazolni.

A következő ábrán a vízbontón mért feszültségértékeket láthatjuk különböző kitöltési tényezők mellett.

43 %-os
kitöltés
21,5 %-os
kitöltés
10,75 %-os
kitöltés
5,37 %-os
kitöltés
2,88 %-os
kitöltés
Kep004_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep005_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep006_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep007_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep008_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2

8. ábra. A vízbontón mért feszültségek értékei különböző kitöltési tényezőknél

Az effektív feszültség értékét az itt ismertetett módon határozzuk meg a következő képlettel:

Ueff = 0,63 * (Uimp – U=) * k / 100

Impulzus kitöltése (k)
Uimp
U=
Umért
Ueff
43,00 %
8,0 V
6,5 V
6,64 V
0,406 V
21,50 %
6,5 V
4,5 V
5,40 V
0,271 V
10,75 %
6,0 V
4,0 V
4,34 V
0,135 V
5,37 %
5,5 V
3,0 V
3,55 V
0,085 V
2,88 %
5,0 V
2,5 V
3,02 V
0,045 V

3. táblázat. Az elektrolizáló kapcsain mért feszültségértékek

A 3. táblázatból látható, hogy a kitöltési tényező arányában változott az Ueff feszültség értéke. Azt is megfigyelhetjük, hogy az Umért értéke is változik, bár nem arányosan. Ez a változás azzal magyarázható, hogy a kisebb kitöltésű impulzusok esetében a vízbontó kapcsain mérhető egyenfeszültség – azaz a bontó saját feszültsége – is csökken.

Az áram értékének a meghatározására a fent említett vízbontóval sorba kapcsolt 0,011 W-os söntön mért feszültség szolgált.

43 %-os
kitöltés
21,5 %-os
kitöltés
10,75 %-os
kitöltés
5,37 %-os
kitöltés
2,88 %-os
kitöltés
Kep013_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep012_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep011_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep010_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep009_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2

9. ábra. A 0,011 W-os söntön mért áramok értékei különböző kitöltési tényezőknél

Az áram alakjának meghatározása eltér valamelyest az itt
bemutatottól. Az
1. kísérletnél már szóltunk arról, hogy a FET nem működött hibátlanul, így az impulzus bekapcsolásakor az impulzus idejénél rövidebb ideig tartó áramtüske jelent meg, ami az elektrolit oldatban egy lecsengő rezgést generált. Az oszcilloszkóp megfelelő beállításával azt láthattuk, hogy ennek az áramimpulzusnak az ideje az impulzus idejének a hatod részét tette ki. Ez a szám állandó volt a kitöltési tényezőtől függetlenül, mivel minden egyes impulzus ideje 3,6 ms volt. Az effektív áram meghatározására használt képletben ezt úgy vettük figyelembe, hogy 6-tal elosztottuk az eredményt.

Ieff = [0,37 * Ics * k / 100] / 6

Impulzus kitöltése (k)
Ics
Imért
Ieff
43,00 %
20 A
1,08 A
0,530 A
21,50 %
20 A
0,54 A
0,265 A
10,75 %
20 A
0,33 A
0,132 A
5,37 %
20 A
0,19 A
0,066 A
2,88 %
20 A
0,11 A
0,035 A

4. táblázat. A söntön mért áramok

A digitális multiméterrel mért áram (Imért) értéke nem arányosan változik a kitöltési tényező alapján, mivel a kisebb kitöltésnél nagyobb áram jelenik meg a vártnál. Ez a torzítás a műszer mintavételezési elvéből adódik. Itt ki kell hangsúlyoznunk, hogy a multiméterrel mért feszültség és áramértékek elég messze voltak a valódi értékektől. Az igazán pontos értékeket az oszcilloszkópos adatok kiértékelése során kaptuk meg.

A 4. táblázatban jól látható, hogy a kitöltési tényező csökkenésével az impulzus bekapcsolásakor megjelenő áramcsúcsok állandó értéken maradtak, bár a 9. ábrából ez nem tűnik ki. A szkóp paramétereinek a változtatásával azonban ez jól nyomon követhető volt.

A teljesítményt az áram és a feszültség szorzataként kapjuk meg. Mivel a multiméteren és a szkópon kapott értékek különböztek, ezért mind a két mérési módszernél kiszámoltuk a felvett teljesítményt. Ezt mutatja a következő táblázat.

Impulzus kitöltése
Umért
Imért
Ueff
Ieff
Pmért
Peff
43,00 %
6,64 V
1,08 A
0,406 V
0,530 A
7,1712 W
0,2152 W
21,50 %
5,40 V
0,54 A
0,271 V
0,265 A
2,9160 W
0,0718 W
10,75 %
4,34 V
0,33 A
0,135 V
0,132 A
1,4322 W
0,0178 W
5,37 %
3,55 V
0,19 A
0,085 V
0,066 A
0,6745 W
0,0056 W
2,88 %
3,02 V
0,11 A
0,045 V
0,035 A
0,3322 W
0,0016 W

5. táblázat. A számított teljesítmény felvételek

A hatásfok meghatározásához ismernünk kell a percenkénti gáztermelést is, amit úgy határoztunk meg, hogy lemértük, mennyi idő alatt termelődik 20 ml gáz, majd a mérési eredmények alapján kiszámoltuk a percenkénti gáztermelést. Az így kapott értéket elosztottuk a felhasznált teljesítménnyel (a multiméterrel mért és a szkóp alapján számított effektív teljesítményekkel.)

Mivel tudjuk, hogy 1 W villamos energiával Faraday törvénye alapján 7,11 ml/perc gáz termelődik, ezért a hatásfokot úgy kaptuk meg, hogy a Gáz/W/p értéket elosztottuk 7,11-al. Erről bővebben itt olvashatsz.

A következő táblázatokban a multiméterrel mért és a szkópról leolvasott értékek alapján kiszámított hatásfokokat láthatod.

Impulzus kitöltése
Gáz/perc
Pmért
Gáz/W/perc
hmért
43,00 %
17,91 ml/p
7,1712 W
2,49 ml/W/p
35,02 %
21,50 %
9,23 ml/p
2,9160 W
3,17 ml/W/p
44,58 %
10,75 %
6,15 ml/p
1,4322 W
4,29 ml/W/p
60,33 %
5,37 %
3,71 ml/p
0,6745 W
5,50 ml/W/p
77,35 %
2,88 %
2,01 ml/p
0,3322 W
6,05 ml/W/p
85,09 %

6. táblázat. A multiméter alapján számított hatásfokok

Impulzus kitöltése
Gáz/perc
Peff
Gáz/W/perc
heff
43,00 %
17,91 ml/p
0,2152 W
83,22 ml/W/p
1170,5 %
21,50 %
9,23 ml/p
0,0718 W
128,55 ml/W/p
1808,0 %
10,75 %
6,15 ml/p
0,0178 W
345,50 ml/W/p
4859,3 %
5,37 %
3,71 ml/p
0,0056 W
662,50 ml/W/p
9317,8 %
2,88 %
2,01 ml/p
0,0016 W
1256,25 ml/W/p
17668,7 %

7. táblázat. Az oszcilloszkóp alapján számított hatásfokok

Összehasonlítva a 6. és 7. táblázatot jól látszik, hogy a hatásfokok között óriási a különbség.

A következő ábrán a vízbontás hatásfokát láthatjuk a kitöltési tényező függvényében.

kit_hat1 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2

10. ábra. A vízbontás hatásfoka a kitöltési tényező függvényében

Kiértékelés:

A 10. ábra alapján egyértelműen kitűnik, hogy az itt feltételezett elképzelésünk – miszerint a kitöltési tényező csökkentésével exponenciálisan növekszik a vízbontás hatásfoka – helyesnek bizonyult!

Érdemes megfigyelni, hogy a multiméterrel mért értékek szerint is növekszik a vízbontás hatásfoka a kitöltési tényező csökkentésével.

Azonban azt is észre kell vennünk, hogy Kanarev kísérleteiben a 3 % körüli kitöltésnél jóval nagyobb hatásfok volt mérhető. Ez vajon annak tudható be, hogy ott a víz vezetőképessége jóval kisebb volt a mi kísérleteinknél meglévőhöz képest? Ezek szerint a hatásfok rohamosan romlik, ha a víz vezetőképességét növeljük?

Erre kerestük a választ a következő kísérletekben.

3. kísérlet

A kísérlet célja az volt, hogy a víz vezetőképességét növelve megvizsgáljuk, hogy az milyen módon befolyásolja a hatásfokot.

A vízbe először egy kevés trisót öntöttünk, de az nem okozott jelentős áramnövekedést. Utána folyamatosan növeltük a trisó mennyiségét, de még a teljes fél kilós csomag tartalmát beleöntve se tudtuk egy adott szintnél – azaz kb. 1,6 A-nál – feljebb vinni a FET-eken keresztülfolyó, multiméterrel mért áramerősséget. Az sem segített, hogy kihagytuk az R1 áramkorlátozó ellenállást és a +12 V-ot a vízbontó egyik sarkára kapcsoltuk közvetlenül. (A másikhoz a FET csatlakozott.) Ekkor közvetlenül rákapcsoltuk az akkumulátort a vízbontó elektródáira és kb. 70 A-t mértünk. Csak úgy pezsgett a víz a nagy mennyiségben termelődött gáztól. Ekkor győződtünk meg arról, hogy a FET nem működik hibátlanul. Ennek ellenére elvégeztük a méréseket.

A következő ábrán a vízbontón mért feszültségértékeket láthatjuk különböző kitöltési tényezők mellett.

43 %-os
kitöltés
21,5 %-os
kitöltés
10,75 %-os
kitöltés
5,37 %-os
kitöltés
2,88 %-os
kitöltés
Kep120_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep121_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep122_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep123_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep124_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2

11. ábra. A vízbontón mért feszültségek értékei különböző kitöltési tényezőknél

Az effektív feszültség értékét az itt ismertetett módon határozzuk meg a következő képlettel:

Ueff = 0,63 * (Uimp – U=) * k / 100

Impulzus kitöltése (k)
Uimp
U=
Umért
Ueff
43,00 %
6,5 V
5,0 V
5,18 V
0,406 V
21,50 %
6,0 V
4,5 V
4,65 V
0,203 V
10,75 %
5,0 V
3,5 V
3,74 V
0,102 V
5,37 %
5,0 V
3,0 V
3,10 V
0,067 V
2,88 %
5,0 V
2,5 V
2,68 V
0,045 V

8. táblázat. Az elektrolizáló kapcsain mért feszültségértékek

A 11. ábrából és a 8. táblázatból látható, hogy a 2. kísérletnél kapott eredményekhez képest az egyenáramú szint (U=) valamelyest csökkent. Ez azzal magyarázható, hogy a jobb vezetőképesség miatt a vízbontó saját töltése gyorsabban tudott kisülni. Ennek ellenére az effektív feszültségértékek (Ueff) szinte azonosak voltak a 2. kísérletnél kapott eredményekkel. (lásd a 3. táblázatot)

Az áram értékének a meghatározására a vízbontóval sorba kapcsolt 0,011 W-os söntön mért feszültség szolgált.

43 %-os
kitöltés
21,5 %-os
kitöltés
10,75 %-os
kitöltés
5,37 %-os
kitöltés
2,88 %-os
kitöltés
Kep129_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep128_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep127_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep126_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep125_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2

12. ábra. A 0,011W-os söntön mért áramok értékei különböző kitöltési tényezőknél

Az áram értékét a 2. kísérletben leírt módon határoztuk meg.

Ieff = [0,37 * Ics * k / 100] / 6

Impulzus kitöltése (k)
Ics
Imért
Ieff
43,00 %
60 A
1,63 A
1,591 A
21,50 %
60 A
1,04 A
0,795 A
10,75 %
60 A
0,60 A
0,398 A
5,37 %
60 A
0,34 A
0,198 A
2,88 %
60 A
0,19 A
0,106 A

9. táblázat. A söntön mért áramok

A felvett teljesítmények értékeit mutatja a következő táblázat.

Impulzus kitöltése
Umért
Imért
Ueff
Ieff
Pmért
Peff
43,00 %
5,18 V
1,63 A
0,406 V
1,591 A
8,4434 W
0,6459 W
21,50 %
4,65 V
1,04 A
0,203 V
0,795 A
4,8360 W
0,1614 W
10,75 %
3,74 V
0,60 A
0,102 V
0,398 A
2,2440 W
0,0406 W
5,37 %
3,10 V
0,34 A
0,067 V
0,198 A
1,0540 W
0,0132 W
2,88 %
2,68 V
0,19 A
0,045 V
0,106 A
0,5092 W
0,0048 W

10. táblázat. A számított teljesítmény felvételek

A következő táblázatokban a multiméterrel mért és a szkópról leolvasott értékek alapján kiszámított hatásfokokat láthatod.

Impulzus kitöltése
Gáz/perc
Pmért
Gáz/W/perc
hmért
43,00 %
24,49 ml/p
8,4434 W
2,90 ml/W/p
40,78 %
21,50 %
11,88 ml/p
4,8360 W
2,46 ml/W/p
34,59 %
10,75 %
7,69 ml/p
2,2440 W
3,43 ml/W/p
48,24 %
5,37 %
4,83 ml/p
1,0540 W
4,58 ml/W/p
64,41 %
2,88 %
2,83 ml/p
0,5092 W
5,56 ml/W/p
78,19 %

11. táblázat. A multiméter alapján számított hatásfokok

Impulzus kitöltése
Gáz/perc
Peff
Gáz/W/perc
heff
43,00 %
24,49 ml/p
0,6459 W
37,91 ml/W/p
533,2 %
21,50 %
11,88 ml/p
0,1614 W
73,61 ml/W/p
1035,3 %
10,75 %
7,69 ml/p
0,0406 W
189,41 ml/W/p
2663,9 %
5,37 %
4,83 ml/p
0,0132 W
365,91 ml/W/p
5146,4 %
2,88 %
2,83 ml/p
0,0048 W
589,58 ml/W/p
8292,3 %

12. táblázat. Az oszcilloszkóp alapján számított hatásfokok

A következő ábrán a vízbontás hatásfokát láthatjuk a kitöltési tényező függvényében. A kék vonal a 2. kísérlet adatait tartalmazza, a rózsaszín pedig a 3. kísérletét.

kit_hat2 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2

13. ábra. A vízbontás hatásfoka a kitöltési tényező függvényében

Kiértékelés:

Mint látjuk, a hatásfok körülbelül a felére esett, mikor az áramimpulzusok csúcsértéke háromszor nagyobb lett. Ez nem túl örömteli hír, mivel ez azt sugallja, hogy az áramerősség növelésével csökken a hatásfok.

Következzék egy gyors számolás a 2. és 3. kísérletek eredményei alapján annak meghatározására, hogy elméletileg körülbelül milyen hatásfokot érhetünk el 2000 A-es áramcsúcsoknál 2,88 %-os kitöltési tényezőt feltételezve.

Ha Ics = 20 A, akkor h = 17668 %

Ha Ics = 60 A, akkor h = 8292 %

Ha Ics = 2000 A, akkor h = 17668 / (100 * 2/3) = 265 %

Mint látjuk, elméletileg nagyon leesik a hatásfok az áramerősség erőteljes növekedése esetén. Ezt kompenzálandó viszont csökkenthetjük a kitöltési tényezőt.

A 2. és 3. kísérletek alapján azt is láthatjuk, hogy a kitöltési tényező felezésével a hatásfok megduplázódik. A Horváth féle szabadalomban használt 0,6 %-os kitöltéshez a 0,72 % áll a legközelebb, amit a 2,88 % néggyel való osztásával kapunk. Ekkor a hatásfok megnégyszereződik, azaz h = 265 % * 4 = 1060 %.

Ez az 1060 %-os hatásfok azt jelenti, hogy 1 W villamos energia felhasználásával kb. 75 ml/perc durranógázt tudunk előállítani. Az itt bemutatott kísérleteknél kapott eredményekre alapozva tudjuk, hogy egy 650 cm3-es motor körülbelül 12 liter gázt fogyaszt percenként, aminek az előállításához szükséges teljesítmény: P = 12 000 ml/perc / 75ml/perc/W = 160 W.

Egy 1300 cm3-es motor gázszükségletét ennek a duplájával, azaz 320 W villamos energia befektetésével tudjuk előállítani. Ez nagyon jól hangzik, bár ez az eredmény még jobb kell legyen a valóságban, mivel a Horváth féle vízbontó kb. 90 W-ot fogyasztott, de azt se folyamatosan, hanem időszakosan.

Ez a tény azt sugallja, hogy az áramerősség növekedésével a hatásfokcsökkenés nem lineáris, hanem egy exponenciálisan lecsengő jelleget mutat, azaz a fentebb számolt 2000 A esetén is legalább 4000 %-os hatásfokot tudunk elérni.

Természetesen ezek csak elméleti fejtegetések, a tényleges hatásfokot a nagy áramoknál csak kísérletekkel lehet pontosan meghatározni!

4. kísérlet

A kísérlet célja az volt, hogy az eddigi kísérletekben használt 4 db sorba kötött elektródalemez számot lecsökkentsük kettőre, így vizsgálva a hatásfokot.

Az elképzelésünk az volt, hogy ha az elektródalemezek között az impulzusok szüneteiben mérhető egyenfeszültség (U=) csak egy elektróda páron esik, akkor a vízbontás hatásfoka növekszik, hiszen ekkor a vízbontáshoz szükséges minimális 1,47 V állandóan jelen van, még az impulzusok szüneteiben is.

A vízben lévő trisó mennyisége megegyezett a 3. kísérletben használttal.

A következő ábrán a vízbontón mért feszültségértékeket láthatjuk különböző kitöltési tényezők mellett.

43 %-os
kitöltés
21,5 %-os
kitöltés
10,75 %-os
kitöltés
5,37 %-os
kitöltés
2,88 %-os
kitöltés
Kep130_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep131_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep132_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep133_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep134_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2

14. ábra. A vízbontón mért feszültségek értékei különböző kitöltési tényezőknél

Az effektív feszültség értékét az itt ismertetett módon határozzuk meg a következő képlettel:

Ueff = 0,63 * (Uimp – U=) * k / 100

Impulzus kitöltése (k)
Uimp
U=
Umért
Ueff
43,00 %
7,0 V
3,5 V
3,65 V
0,948 V
21,50 %
7,0 V
3,0 V
3,07 V
0,474 V
10,75 %
7,0 V
3,0 V
2,66 V
0,237 V
5,37 %
7,0 V
2,5 V
2,40 V
0,152 V
2,88 %
7,0 V
2,5 V
2,26 V
0,081 V

13. táblázat. Az elektrolizáló kapcsain mért feszültségértékek

Az áram értékének a meghatározására a fent említett vízbontóval sorba kapcsolt 0,011 W-os söntön mért feszültség szolgált.

43 %-os
kitöltés
21,5 %-os
kitöltés
10,75 %-os
kitöltés
5,37 %-os
kitöltés
2,88 %-os
kitöltés
Kep135_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep136_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep137_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep138_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2
Kep139_k 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2

15. ábra. A 0,011 W-os söntön mért áramok értékei különböző kitöltési tényezőknél

Az áram értékét a 2. kísérletben leírt módon határoztuk meg.

Ieff = [0,37 * Ics * k / 100] / 6

Impulzus kitöltése (k)
Ics
Imért
Ieff
43,00 %
70 A
2,80 A
1,86 A
21,50 %
70 A
1,48 A
0,93 A
10,75 %
70 A
0,80 A
0,46 A
5,37 %
70 A
0,41 A
0,23 A
2,88 %
70 A
0,22 A
0,12 A

14. táblázat. A söntön mért áramok

A felvett teljesítmények értékeit mutatja a következő táblázat.

Impulzus kitöltése
Umért
Imért
Ueff
Ieff
Pmért
Peff
43,00 %
3,65 V
2,80 A
0,948 V
1,86 A
10,2200 W
1,7633 W
21,50 %
3,07 V
1,48 A
0,474 V
0,93 A
4,5436 W
0,4408 W
10,75 %
2,66 V
0,80 A
0,237 V
0,46 A
2,1280 W
0,1090 W
5,37 %
2,40 V
0,41 A
0,152 V
0,23 A
0,9840 W
0,0349 W
2,88 %
2,26 V
0,22 A
0,081 V
0,12 A
0,4972 W
0,0097 W

15. táblázat. A számított teljesítmény felvételek

A következő táblázatokban a multiméterrel mért és a szkópról leolvasott értékek alapján kiszámított hatásfokokat láthatod.

Impulzus kitöltése
Gáz/perc
Pmért
Gáz/W/perc
hmért
43,00 %
37,21 ml/p
10,2200 W
3,64 ml/W/p
51,19 %
21,50 %
18,18 ml/p
4,5436 W
4,00 ml/W/p
56,26 %
10,75 %
11,21 ml/p
2,1280 W
5,26 ml/W/p
73,98 %
5,37 %
5,94 ml/p
0,9840 W
6,03 ml/W/p
84,81 %
2,88 %
3,91 ml/p
0,4972 W
7,86 ml/W/p
110,54 %

16. táblázat. A multiméter alapján számított hatásfokok

Impulzus kitöltése
Gáz/perc
Peff
Gáz/W/perc
heff
43,00 %
37,21 ml/p
1,7633 W
21,10 ml/W/p
296,8 %
21,50 %
18,18 ml/p
0,4408 W
41,24 ml/W/p
580,0 %
10,75 %
11,21 ml/p
0,1090 W
102,84 ml/W/p
1446,4 %
5,37 %
5,94 ml/p
0,0349 W
170,20 ml/W/p
2393,8 %
2,88 %
3,91 ml/p
0,0097 W
403,09 ml/W/p
5669,3 %

17. táblázat. Az oszcilloszkóp alapján számított hatásfokok

A következő ábrán a vízbontás hatásfokát láthatjuk a kitöltési tényező függvényében. A kék vonal a 2. kísérlet adatait tartalmazza, a rózsaszín a 3. kísérletét, a sárga pedig a 4. kísérletét.

kit_hat3 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2

16. ábra. A vízbontás hatásfoka a kitöltési tényező függvényében

Kiértékelés:

Az eredmény megegyezett az itt végzett kísérleteinkkel, azaz a sorba kapcsolt elektróda lemezek számának növelésével egy bizonyos pontig nő a hatásfok. A négy lemezes elektrolizáló hatásfoka majdnem a duplája a kétlemezes elektrolizáló hatásfokának.

Ez azért meglepő, mert két lemez használatával az impulzusok közötti szünetekben még a legkisebb kitöltésnél (2,88 %) is meghaladja az egy cellára eső feszültség az 1,47 V-os feszültséget, ami az elektrolízis beindításához szükséges.

Ha azonban közelebbről megvizsgáljuk a feszültségeket és az áramokat, azt tapasztaljuk, hogy az áram értéke nem nőtt jelentősen, mindössze: [(70 A * 100) / 60 A] – 100 = 16,6 %-ot. Az elektrolízis során termelt gáz viszont az áramerősség függvénye. Ha nő az áramerősség, akkor növekednie kell a gáztermelésnek is.

Vizsgáljuk meg a gáztermelés változását: [(3,91 * 100) / 2,83) – 100 = 38,2 %. Mint látjuk, a gáztermelés változása a duplája az áramerősség változásnak. Ez pontosan az, amit elvártunk ettől a kísérlettől! De akkor miért csökken mégis a hatásfok?

A válasz a befektetett feszültségekben keresendő. Ha összehasonlítjuk a 8. és a 13. táblázatokat, akkor láthatjuk, hogy a befektetett feszültség a duplájára nőtt a 4. kísérletben, ugyanazon tápfeszültség mellett. Viszont ezt a feszültségnövekedést nem az egyenáramú összetevő növekedése okozta, mivel az közel állandó maradt, (ezt az állandóságot egyébként korábban már itt is megfigyeltük), hanem a feszültség impulzus amplitúdója és az egyenáramú összetevő közötti különbség (Uimp – U=) növekedése.

Tudjuk azt, hogy az 1,47 V-os minimális feszültség feletti feszültségek csak hővé alakulnak, ezért az elektrolízis hatásfokát csökkentik. Ebből az következik, hogy a mindenkor rendelkezésünkre álló tápfeszültség dönti el, hogy hány sorba kötött elektródalemezt célszerű használnunk. Mivel mi az autókban található rendszerint 12 V-os akkumulátort használjuk, ezért célszerű öt lemezt sorba kapcsolni a lehető legjobb hatásfok elérésére, így a cellákon eső feszültség közel 3 V lesz.

Végezzünk el még egy elemzést. Határozzuk meg, hogy az egyes kísérletekben a különböző kitöltési tényezőknél mekkora volt az amperenkénti gáztermelés.

Ezt láthatjuk a következő táblázatban.

Kís.
43 %
21,5 %
10,75 %
5,37 %
2,88 %
2
33,79 ml/p/A
34,83 ml/p/A
46,59 ml/p/A
56,21 ml/p/A
57,43 ml/p/A
3
15,39 ml/p/A
14,94 ml/p/A
19,32 ml/p/A
24,39 ml/p/A
26,70 ml/p/A
4
20,01 ml/p/A
19,55 ml/p/A
24,37 ml/p/A
25,83 ml/p/A
32,58 ml/p/A

18. táblázat. Az amperenkénti gáztermelés a kitöltési tényező függvényében a különböző kísérleteknél

A következő ábrán a 18. táblázat grafikus ábrázolása látható. A kék vonal a 2. kísérlet adatait tartalmazza, a rózsaszín a 3. kísérletét, a sárga pedig a 4. kísérletét.

kit_hat4 2.4.1.11.5. Elektrolízis Impulzusokkal 2

17. ábra. A 18. táblázat grafikus ábrázolása

Érdekes, hogy ebben a számítási módozatban, mikor a feszültség értékét nem vettük figyelembe, a két lemezes elektrolizáló hatásfoka ugyanakkora vezetőképességű elektrolit oldatban jobb volt, mint a négylemezes megoldásnál! Ez alátámasztja a pár sorral feljebb ismertetett feltételezésünket, miszerint a hatásfok a kétlemezes vízbontónál látszólag azért romlott, mert a feszültség impulzus amplitúdója és az egyenáramú összetevő közötti különbség (Uimp – U=) növekedett.

Azt is érdemes megfigyelni, hogy a 43 %-os és a 21,5 %-os kitöltési tényezők között a hatásfok közel állandó, utána viszont – a kitöltési tényező csökkentésével – az fokozatosan növekszik.

Nagyon fontos lenne, hogy minél többen megismételjétek a kísérleteinket, hogy láthassuk, az itt bemutatott kísérleti eredmények könnyen reprodukálhatóak. Ha van hozzá kedved, ismételd meg a kísérleteket, kiegészítve a további lehetséges kísérletekkel – és természetesen a saját ötleteiddel – és MINDENKÉPPEN küldd el nekünk az eredményeidet!

Kapcsolódó kísérletek:

Hozzászólok!

A weblap további használatával Ön beleegyezik a sütik használatába. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás