14.3. Анализ процесса питания электролизёра

Электролизёр – это совокупность пластинчатых анодов и катодов, каждая пара которых называется ячейкой. Раствор размещается между пластинами электродов. Напряжение на клеммы электролизёра можно подавать непрерывно, а можно импульсами (рис. 215).

Рис. 215. Осциллограмма напряжения и тока на клеммах

электролизёра

На рис. 215, хорошо видно, что импульсы напряжения c амплитудой восстанавливают средний потенциал электролизера, который уменьшается при отсутствии импульса. Одновременно формируется и импульс тока с амплитудой . Это значит, что нет нужды подавать напряжение в электролизёр непрерывно, так как он имеет свой потенциал, для поддержания заданной величины которого достаточна периодическая подзарядка электролизёра (рис. 215).

Напомним, что импульсный расход электроэнергии характеризуется скважностью импульсов . Она равна отношению периода следования импульсов к их длительности , то есть .

При такой системе подачи электрической энергии в электролизёр вольтметр учитывает не среднюю величину напряжения , которое необходимо для подзарядки электролизёра, а среднюю величину полного потенциала на клеммах электролизёра, которая больше средней величины напряжения , необходимого для подзарядки электролизёра (рис. 215).

Так работают все современные электролизёры, и все варианты совершенствования такого способа его питания уже задействованы. Из анализа осциллограммы (рис. 215) следует, что реальная энергия, затрачиваемая на процесс электролиза воды, меньше той, которую показывают приборы. Как определить её величину?

Электронный ключ 3 (рис. 216) генерирует импульсы напряжения, разрывая электрическую цепь и нарушая связь средней величины постоянного потенциала (рис. 215) электролизёра 1 с постоянным потенциалом аккумулятора 2 (рис. 216).

Рис. 216. Схема импульсного питания электролизёра 1

от аккумуляторной батареи 2 через диод 4

Показания вольтметров (рис. 216) следующие: ; ; . Показания амперметра . Мы знаем, что вольтметры и , подключённые к клеммам электролизёра и к клеммам аккумулятора, не учитывают скважность импульсов напряжения питания электролизёра и скважность импульсов напряжения, подаваемого в электролизёр 1 из аккумулятора 2. Обусловлено это тем, что на клеммах аккумулятора и электролизёра фактически - почти постоянные собственные напряжения (рис. 215 и 216).

Из этого следует, что показания вольтметров и не отражают реальную среднюю величину напряжения, подаваемого на клеммы электролизёра (рис. 215). Импульсное напряжение, представленное на осциллограмме (рис. 215), присутствует только на клеммах диода 4 (рис. 216). Оно фиксируется вольтметром и его показания легко проверить с помощью осциллограммы (рис. 215). Амплитуда импульса напряжения на рис. 215, равна . Скважность импульсов напряжения и тока равна . С учётом этого средняя величина напряжения на клеммах электролизёра будет равна

. (431)

Это близко к показаниям вольтметра (рис. 216). Амперметр во всех случаях показывал одну величину среднего тока, равную . Достоверность этой величины легко проверяется с помощью осциллограммы (рис. 215). Амплитудная величина тока равна . Так как скважность импульсов равна , то средняя величина тока полностью совпадает с показаниями амперметра А (рис. 216).

. (432)

Так как скважность импульсов напряжения и тока одинаковая, то средняя величина импульсной мощности, реализуемой на клеммах электролизёра, равна

. (433)

Таким образом, при правильном учёте мощности, реализуемой на работу электролизёра, надо использовать показания амперметра А и второго вольтметра (рис. 216).

Зависимость производительности электролизёра и удельной мощности на литр водородно-кислородной смеси от скважности импульсов представлена в табл. 45. Обратим внимание на то (табл. 43), что при увеличении скважности в 10 раз (S=10), производительность электролизёра уменьшилась (0,63/0,33=1,91) почти в два раза, величина среднего напряжения уменьшилась почти в 10 раз, средняя величина тока (0,23/0,11=2) в два раза, средняя мощность, реализуемая аккумулятором, уменьшилась в 22 раза, а удельная мощность , реализуемая на клеммах электролизёра, уменьшилась (4,56/0,39=11,69) почти в 12 раз.

Таблица 45. Показатели электролиза согласно показаниям вольтметра и амперметра (рис. 216)

1.Скважность импульсов	S=1	S=5	S=10
2. Получено , л/ч	0,63	0,44	0,33
3. Ток, , А	0,23	0,12	0,11
4.Напряжение, ,	12,50	2,50	1,20
5. Мощность,	2,87	0,30	0,13
6. Уд. мощ., , Вт/л	4,56	0,68	0,39

Самым удивительным является то, что абсолютное большинство электриков и электронщиков, с которыми нам пришлось обсуждать изложенное, не понимают его суть и считают, что не может быть в этом случае никакой экономии электрической энергии, так как её наличие сразу нарушает законы Кирхгофа. Посмотрим, так это или нет?

Первый закон или первое правило Кирхгофа формулируется так: сумма всех токов, притекающих к любой точке электрической цепи, равна сумме всех токов, утекающих от этой точки. Нетрудно видеть, что это правило строго реализуется в старой математической модели для расчёта средней величины импульсной электрической мощности

, (434)

если полагать, что процедура деления на скважность импульса в формуле (434) относится только к току и не относится к напряжению . Данные табл. 43 подтверждают это. Значит, первое правило Кирхгофа для всех сечений электрической цепи, как следует из старой теории, работает корректно.

Второй закон или второе правило Кирхгофа гласит, что в замкнутой электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на отдельных участках цепи.

А теперь присмотримся к осциллограмме на рис. 215. На ней показано два электрических потенциала. Один средний принадлежит самому электролизёру и его величина изменяется незначительно. Второй импульсный потенциал, пришедший от источника питания, с амплитудой большей средней величины потенциала электролизёра. Сразу возникает вопрос: какой потенциал мы должны учитывать для проверки достоверности второго закона Кирхгофа?

Средний потенциал принадлежит электролизёру, который мы подзаряжаем, посылая импульсы напряжения (рис. 215), поэтому не имеет никакого отношения к расходу энергии на процесс электролиза воды. Вполне естественно, что мы обязаны в этом случае учитывать среднюю величину импульсов напряжения, которая равна амплитуде импульса напряжения , делённой на скважность импульсов , как это и представлено в формуле (431).

Поскольку средний потенциал на клеммах электролизёра (рис. 215) больше среднего потенциала (431), подзаряжающего его, в количество раз, равное скважности импульсов , то и результаты реализации 2-го закона Кирхгофа в этих случаях будут отличаться в количество раз, равное скважности импульсов напряжения. Это означает ошибочность второго закона Кирхгофа.

Итак, мы имеем явное нарушение второго закона Кирхгофа. Почему это не заметили все наши предшественники? Потому, что на клеммах первичный источник питания (аккумулятора, например), из которого выделяются импульсы напряжения , генерирует напряжение непрерывное. Величину этого непрерывного напряжения и используют для расчёта средней величины импульсной мощности, а надо использовать среднюю величину импульсного напряжения (431). Эта ошибка и формировала представление о достоверности второго закона Кирхгофа. Чтобы убедиться в его ошибочности, мы использовали в данном эксперименте в качестве источника питания электромеханический генератор электрических импульсов (рис…). Поэтому среднее импульсное напряжение на клеммах первичного импульсного источника питания и на клеммах электролизёра оказывалось одинаковое и мы имели право рассчитывать мощность на клеммах такого источника питания и на клеммах электролизёра по формуле (433).