Не всегда и не везде хорош принцип «выше-быстрее-сильнее» - и в домашней мастерской случаются задачи для миниатюрного инструмента. Взять те же горелки. В большинстве случаев безусловное – Больше!, Мощнее! но точная пайка мелочей твердым припоем, но работа с электролизером небольшой мощности, ювелирное дело, работа со стеклом. Здесь, речь пойдет именно о стеклодувном применении небольшого стационарного электролизера.

Стеклянное приборостроение и кустарное электровакуумное производство подразумевают, в том числе и высококачественное спаивание нетолстого стекла. Обычно, такие работы выполняются в пламени настольных или ручных стеклодувных горелок. Газо-воздушных или газо-кислородо-воздушных, при этом, надежное герметичное спаивание стекла требует изрядной квалификации стеклодува. Применение для такой работы кислород-водородной горелки усложняет оборудование, но резко упрощает процесс и существенно повышает качество спаев, выполненных даже малоопытным стеклодувом.

Кислород-водородный факел очень горячий и жёсткий. Стекло он расплавляет быстро и до совершенно жидкого состояния. В стеклодувном деле гремучий газ удобен или как высококалорийная добавка к газовоздушным горелкам, или в виде самостоятельного факела очень маленького размера, еще не продавливающего, не разбрызгивающего стекло. Такая горелка с микросоплом, а речь идет о диаметрах от 0,1 мм, может преотлично питаться гремучим газом от простого электролизера относительно небольшой настольной мощности. В комплекте с простой «подогревной» горелкой с широким мягким низкотемпературным пламенем (газовоздушная - инжекционная, радиационная), для первичного разогрева стеклянной работы и предотвращения термоударов, микрогорелка на гремучем газе позволяет легко и с высоким качеством спаивать даже довольно крупные детали. 

Микрогорелки с электролизерами используются традиционно и, как правило, вынуждено. У аппаратов небольшой мощности, производительности хватает только на них. Обычно, в качестве сопла для такой горелки используется игла от медицинского шприца – выбор объяснимый легкодоступностью, но неважный в теплотехническом смысле. Игла шприца – тонкостенная трубочка из плохо проводящей тепло нержавеющей стали. Малейший локальный перегрев и она оплавляется кислород-водородным пламенем. Напротив, в качестве сопла для такой горелки следует предпочесть толстостенный капилляр из медных сплавов. В крайнем случае, иглу можно обмотать нетонкой медной проволокой и тщательно пропаять серебром.

Медные или латунные капилляры, диаметром от ~0.15 мм сейчас вполне доступны, но еще один несложный вариант изготовления микросопла – сверление. Теория говорит - для достижения спокойного ламинарного потока газа и выраженного иглоподобного факела, длина сопла должна быть не короче 3…5 её диаметров. Так, для диаметра отверстия 0,3 мм, глубина сверления может быть всего 1 мм. Более того, тонкие глубокие отверстия могут представлять затруднения в эксплуатации – сложно прочищаться при неизбежных засорах. Практика показала – сверление неглубокого отверстия спиральным сверлом 0,3 мм. в бронзе и латуни, не представляет сложности. Сверла недороги и доступны. 

Что потребовалось для работы.

Набор некрупного слесарного инструмента, мелочи. В работе использовался сверлильный станок, электролизер для пайки твердым припоем, УЗ мойка.

К делу.

Здесь, описано изготовление сменного наконечника с соплом для имеющейся микрогорелки. Для основания подобрал медную 7 мм трубку, аналогичную штатной. На трубке-заготовке уже имелся изгиб, хотя и выполненный не вполне хорошо – без внутренней набивки, а потому несколько сплющенный. Заготовка была признана удовлетворительной. Примерив и разметив, отрезал нужную часть роликовым резаком (Фото 2).

Роликовый резак продавливает мягкую медь – для выравнивания образующегося сужения пришлось поработать круглым надфилем и наждачкой.

Для сопла подобрал латунную заготовку. Латунь, превосходный материал для такого применения – легко обрабатывается, хорошо паяется мягкими и твердыми припоями, имеет малый КТР (коэффициент термического расширения).

Длинную стойку спилил у основания ювелирным лобзиком. Длинна – с запасом, для удобства предварительной обработки. Утолщенная часть с внутренней резьбой чуть великовата.

Канавки на сверле невеликие, при работе нужно часто извлекать инструмент для удаления стружки. Случается удачно приобрести сверла несколько конической формы, особенно склонные ломаться. Отчасти помогает смачивание спиртом.

В ответственных случаях канал сопла следует отполировать, например, толстой ниткой натертой пастой ГОИ. В случаях особо ответственных, заднюю часть канала, примерно на ¾ делают еще и слегка конической, специальной разверткой. Практика, однако, показала, для гремучего газа и предложенных диаметров сопла, обычного сверления довольно вполне.

От пластинки фабричного ювелирного припоя ножницами отрезал полоску и зажал в обратном пинцете. Флюс – бура. Вносить ее удобно раскалив нетолстую стальную проволочину и макнув в порошок. Налипшую подплавленную буру перенес на раскаленные детали, убрав факел – сдувает. Нагревал место пайки гремучим газом из электролизера. Дидимовые стеклодувные очки защищают глаза и вырезают натриевое «содовое свечение» - место пайки хорошо видно.

Нагрев обычной инжекционной горелкой на пропане. По остыванию – немедленная отмывка от остатков флюса в теплой воде. Сначала вручную, старой зубной щеткой, затем несколько циклов в УЗ мойке.

К слову, диаметр 0,3 мм. глубокого отверстия, теоретически, является «предельным» для гремучего газа – с таким соплом, до некоторой степени, можно быть уверенным в отсутствии обратного удара.

Babay Mazay, май, 2022 г.

Получение в электролизере кислород-водородной смеси - гремучего газа, только часть задачи. Еще солидный кусок – подготовка газа для использования практического, а обычно это сжигание. Кроме прочего, гремучий газ полезно осушать иначе весомая часть тепла факела будет тратиться на испарение воды. Это как топить печь сырыми дровами – проделать громадную работу по заготовке, а тепла получить чуть. Осушение гремучего газа в простом электролизере, как оказалось, задача нетривиальная – нужен весьма прочный сосуд выдерживающий потенциальный подрыв (а осушитель – первый аппарат на пути обратного удара пламени), герметичный, стойкий к раствору щелочи (содержится во влаге). Опять же – из доступных материалов и более-менее удобный в эксплуатации. То есть не требующий слишком частого обслуживания и оно должно быть по возможности нетрудоемким.

Собирая свой аппарат для домашней мастерской, поторопился сделать осушитель из куска стальной водопроводной трубы с патрубками-вводами, предполагая засыпать его силикагелем и пропускать газ снизу вверх через слой-столб гранул. Однако, в переписке вовремя получил совет своего наставника и вдохновителя, владельца довольно мощного самодельного электролизера, прототипа моего. Как оказалось, газ после реактора и водяного затвора довольно влажный, а силикагель работает хорошо но увы, не особенно долго. Пропуская его через засыпку, получаем высокую эффективность, но и необходимость весьма часто извлекать осушающий реагент для регенерации. Увы, приходится довольствоваться компромиссом – извлекать из газа только часть влаги, при этом разбирать осушитель и прокаливать силикагель приходится много реже.

В частичном осушителе газ проходит через перфорированную трубку окруженную засыпкой из силикагеля. Гидравлическое сопротивление трубки много меньше чем у слоя гранул и практически весь поток проходит через нее. Тем не менее, гигроскопическое окружение связывает некоторую часть паров воды из проходящего газа. Степень осушения можно подобрать количеством и диаметром отверстий в перфорации.

В мой уже готовый осушитель (Фото 1, по центру), такой перфорированный канал легко не встроить, но кое что сделать удалось.

Что понадобилось для работы.

Набор слесарного инструмента, мелочи.

К делу. 

Короткий входной штуцер вварен внизу глубокой узкой шахты (Фото 5) и добраться до него сложно. Здесь, применил зеркальный вариант частичного осушения (Рис. 2) – газ будет омывать извлекаемый перфорированный осушительный патрон. Вариант получился вполне удобный во многих отношениях, настраивать степень осушения в нем легче легкого.

Итак, общий принцип выработан, материал – пластик. Здесь не нужна значительная прочность, важна лишь стойкость к влаге и щелочи. Оглядевшись по сторонам, в качестве корпуса патрона применил обрезок серенькой канализационной трубы Ø50 мм. Верхнюю и нижнюю крышку сделал из обрезков 0,5 л ПЭТ бутылки от минеральной воды, причем в нижней части патрона применил верхнюю половинку бутылки. Ее сужение - горлышко с пробкой позволило иметь внизу зазор для прохода газа и миновать торчащий внутрь штуцер (Фото 5).

На боках трубки разметил и просверлил ряды некрупных отверстий и острым ножом срезал пластиковые заусенцы. ПЭТ бутылка с нетолстыми стенками натурально работает как термоусадочная трубка и обдувая половинки строительным феном на второй передаче, плотно усадил их на торцы патрона. Нижнюю часть удерживающую столб гранул дополнительно закрепил двумя недлинными саморезами.

Операция в принципе лишняя – индикаторные гранулы девственно голубые (при увлажнении они становятся розовыми). Тем не менее, работа была проделана для тренировки. Силикагель засыпал нетолстым слоем 1…1,5 см толщиной в стопку металлических лоточков и поместил в самодельную электропечь. Настроил термоконтроллер на 180 ̊ С и четыре часа работы. Вынул после охлаждения до 60 ̊ С.

Силикагеля в патрон поместилось около 1.5 л. Бронзовый пробковый краник разобрал, промыл растворителем от старой смазки, отшлифовал наждачкой 2000 конус пробки, удалил остатки шлифовки смазал консистентной смазкой, собрал.

Она пробирается через две промывалки и окрашивает пламя, а также регулярно кристаллизируется в микросоплах горелок. Здесь эти кристаллы отфильтровываются набивкой из базальтовой ваты в сухом фильтре (тонкая часть осушителя) и не столь заметны. Большую часть факела теперь практически не видно, только изредка вылетает частичка щелочи и проявляет этакий луч. Отчасти факел можно увидеть при сильном затемнении в движении. В целом, это тонкая игла длиной 30…35 см.  

К слову об осушении. В электролизерах фабричных, осушение часто не проводится вовсе либо проводится но не силикагелем. Нередко в качестве осушителя применяют концентрированную серную кислоту (Н2SO4) барботируя (пробулькивая) через нее гремучий газ. Она работает долго. Реактив относительно недорогой и ходовой – электролит из любого автомагазина который нетрудно упарить в эмалированной посуде до появления белого пара. Концентрированная серная кислота пассивирует черную сталь, ее возят по железной дороге в стальных цистернах, то есть теоретически можно применить аппарат – копию водяного затвора. Однако, в процессе работы концентрированная кислота постепенно превращается в разбавленную и вероятно станет реагировать с железом. Опять же, мы уже знаем что частички щелочи вместе с парами воды проникают по «системе» вплоть до сопла горелки и с кислотой они будут реагировать. С одной стороны они гарантированно отсекутся, с другой – кислота постепенно превращается в соль. Ее придется периодически обновлять полностью.

Разобрал, насосал внутрь воды и устроил длительную промывку в ультразвуковой мойке. В чистой теплой воде. В медной ручке огнепреградитеьная набивка. Очень плотная, из тонкой отожженной медной путанки. Рядом два сменных наконечника с разными соплами.

Кроме прочего, с ручки ободрал веселенькую термоусадку, заменил шток игольчатого краника на лучший, уплотнил его. Появился новый металлический маховичок взамен яркой пластмасски. В целом - суровый челябинский стимпанк.

Восстановил соединения. Всё электролизное оборудование с комфортом разместилось сбоку от рабочего стола с настольной стеклодувной горелкой и вытяжкой. На фото видны водяной затвор и осушитель, сам реактор с блоком питания рядом, в узкой щели за кирпичной печкой. Там же и удобная розетка. В кадре также бензиновый карбюратор для получения по месту горючего газа.

Babay Mazay, февраль, 2023 г.

Продолжим разговор о небольшом, для домашней лаборатории-мастерской, электролизере. Его задача – получение гремучего газа - кислородно-водородной смеси, для сжигания в горелках. В некрупных ручных и для подмешивания в горелки более мощные, для повышения температуры факела. Например, для стеклодувных работ при отсутствии баллонного кислорода.

Получить гремучий газ в электролизере – половина задачи. Оставшаяся – этот газ подготовить для сжигания, сделать процесс эффективным, безопасным и удобным. Для этого служит целый ряд вспомогательных аппаратов, один из которых – осушитель с тонким фильтром. Откуда в получаемом газе вода? Прежде всего, из самого реактора. Он разлагает воду из щелочного раствора и она испаряется, тем более, что при работе реактор нагревается. Есть и мельчайшие брызги от лопающихся пузырьков пены. Дополнительно, гремучий газ пропускается через водяной затвор сразу после электролизера – обязательная ступень безопасности, предохраняющая от обратного удара, а водород-кислородная смесь весьма к этому склонна. Пары же воды, поступающие в горелку с газом, сильно понижают его температуру.

Где – 1 – реактор, 2 – блок питания реактора, 3 – бак-накопитель с фильтром отделителем пены, 4 – подпитыватель, 5 – реле давления, 6 – водяной затвор, 7 – бензиновый барботер-промывалка, 8 – осушитель, 9 – фильтр тонкой очистки.

Фильтр тонкой очистки. Через него проходит осушенный газ и далее поступает «к потребителю». Вся газоподготовка – три аппарата – затвор, барботер с бензином для насыщения, при необходимости, газа парами углеводородов и осушитель. Практика показывает - как это не удивительно, частицы щелочи из электролизера пробираются через все препоны и рабочие жидкости и выпариваясь в горелках, кристаллы калия или натрия, регулярно забивают длинные тонкие сопла, а чистить их трудно. При использовании едкого натра в электролите, хорошо заметно характерное яркое оранжевое свечение факела, т. н. «содовое свечение».  К счастью, эти частицы неплохо улавливаются простейшей набивкой из стекловаты.

Материаловедение. Здесь, имея дело с газом и жидкостями, использовать традиционные удобные бронзу и латунь нельзя – влажной щелочью они быстро разрушаются. Хорошо бы применить никель (дорого), но неплохо и долго работает и обычная черная сталь, тем более, что для сосудов при этом, можно подобрать недорогие распространенные емкости, мощный ходовой прокат. В данном аппарате, скидку можно сделать только на выходе, где газ уже сухой и очищенный.

Здесь надо сказать и о прочности. Как уже говорилось, гремучий газ чрезвычайно подвержен обратным ударам – распространению волны горения обратно по шлангам – у этой стехиометрической смеси очень высокая скорость горения и огромная энергия взрыва. Есть и на нее заграждения, но спокойней, выполнять все сосуды достаточно крепкими, металлическими, и по возможности, оставлять в них минимум свободного места для газа. Тогда, даже их вероятный подрыв не приводит к аварии. И конечно, никакого стекла.

О заполнении аппарата многое уже сказано. Фильтр – плотная набивка из минеральной ваты, которую не следует заменять органикой – ветошью, паклей и т. п. – могут самовоспламениться. Внутри осушителя, под самую горловину силикагель.

Время работы между обслуживаниями. Конечно, зависит от производительности электролизера и частоты его использования, но примерно, для наших непромышленных размеров, измеряется месяцами, а то и сезонами-полугодиями. Забитую мелкой щелочью стекловату можно определить по упавшему давлению на выходе и окраске пламени. Ее можно промыть водой, хорошо бы в ультразвуковой мойке, но проще заменить на новую. Силикагель обычно содержит индикаторные гранулы, синеющие при общем увлажнении материала. Регенерируют его как обычно - в печи при невысокой температуре.

Что понадобилось для работы.

Набор слесарных инструментов, в том числе и для электродуговой сварки плавящимся электродом. Плюс, расходные материалы, мелочи, ЛКМ.

К делу.

Вся конструкция электролизера более-менее стационарна, невысокой мобильности, ей, в разумных пределах, допустимо быть громоздкой. Осушитель – штука немаленькая, он должен вмещать не меньше литра наполнителя-силикагеля, чтобы пореже его прокаливать, а вот фильтр тонкой очистки может быть вполне компактным. Его сделал из недлинного куска водопроводной трубы 3/4 дюйма приваренной прямо к крышке-люку осушителя. Меньше шлангов-соединителей, деталей, работы.

Первым долгом добыл железки-заготовки – кусок трубы для основного корпуса пришлось приобрести, остальное подобрал в своем металлоломе (Фото 3).

Обрезок швеллера назначен дном. Нашедшаяся пара нетонких стальных пластин автоматически решила задачу широкого герметичного загрузочного люка. Он будет фланцевого типа во весь зев трубы.

Суперзадача – придать фланцу и крышке более-менее круглую форму без токарного станка по металлу.

Разный диаметр деталей вынужденно – стачивать бОльшую пришлось бы слишком долго, а пускать искры в деревянной мастерской, более минимально необходимого – испытывать судьбу. Для однозначного положения деталей в работе, сделал на обоих метку – неглубокий надрез на краях.

Отверстие по центру – выходное, над ним будет приварен фильтр со стекловатой. Здесь можно было бы обойтись и меньшим диаметром, но удобнее будет выталкивать забитую щелочью вату. Палочкой или сварочным электродом. Детали разъединил болгаркой, зачистил следы сварки.

Входной штуцер внизу аппарата выточен из стали, аналогично дискам.

Сверлилка настроена на максимальные обороты, работает станок, работает болгарка. После абразивного диска – наждачная бумага.

Штуцер выходной. Здесь, на выходе из всех аппаратов подготовки, газ уже сухой, без щелочи и требованиями к материалам можно частично манкировать – применить медные сплавы, тем более, что дальше все равно латунные горелки. В пробку фильтра впаял доработанный пробковый краник от негодного электрического самовара – возможность отсекать аппараты от горелок удобна.

Отмыл остатки флюса в УЗ мойке. Аналогично впаял в носик краника кусочек медной трубки для отводящего шланга.

Отверстия разметил через железку, шариковой ручкой. Аккуратнейше просверлить их удалось спиральным сверлом по дереву, с шипом по середине. В сверлильном станке, на невысоких оборотах, смачивая сверло водой. На фото, в резинке еще нет небольшого выходного отверстия по центру.

Готовую железку не поленился покрасить - в два слоя, грунтом-эмалью по ржавчине. Серенькой. Высохшую работу зачистил от наплывов краски на фланцах, крышке, в отверстиях, собрал.

Наполнение осушителя не потребует особенных хлопот и расходов – как выяснилось, в настоящее время у кошколюбителей очень популярен наполнитель для ихних лоточков из, чего? Именно – из натурального силикагеля без никаких примесей. В весьма удобных и некрупных упаковках.

Babay Mazay, октябрь, 2022 г.

Мы уже говорили о некоторых доработках самодельного электролизера. Здесь, еще одна небольшая переделка касающаяся уровня-показомера электролита. Без него или при его неправильных показаниях работать с аппаратом неудобно, а местами и опасно. Конструктивная ошибка вышла из-за других изменений по ходу изготовления, а уже перед самым запуском – «Ой где были мои глаза!».

Как было дело.

Изначально предполагалась конструкция модуля реактор-бак-отстойник пены с жестко пристыкованной вертикальной трубой работающей именно как: частично бак – нижняя часть, частично – отстойник щелочной пены – часть верхняя. Внутренняя полость этого аппарата проектировалась полностью пустотелой, а нетолстый полупрозрачный силиковый шланг, проложенный параллельно корпусу и сообщающийся с ним через два угловых штуцера, выполнял функцию «смотрового окна» для визуального контроля уровня электролита (Рис. 2).

Такая схема применена в аналоге [1], и по отзывам владельца не обеспечивала должного подавления стойкой и мелкодисперсной щелочной пены. Пена практически беспрепятственно переползала по газовым шлангам до следующего аппарата – водяного затвора и растворялась в рабочей жидкости – технической воде. Процесс это вредный – пена уносит из реактора, не расходующуюся при электролизе, щелочь. Один из возможных способов препятствовать этому – иметь в водяном затворе воду не техническую, но дистиллированную, такую, как и требуется для заправки реактора. При его подпитке, следует использовать эту воду и таким образом возвращать щелочь в реактор. Второй способ – принять меры к более эффективному подавлению пены уже в самом реакторе.

Где: 1 – реактор электролизера; 2 – внешний бак электролита; 3 – шланг-уровень; 4 – перфорированная металлическая перегородка; 5 – насадка-подавитель пены. Стрелками показана циркуляция электролита при работе аппарата. Здесь появился и штуцер подпитки водой.

В ходе изготовления электролизера была изучена и опробована на лабораторном макете специальная насадка-подавитель – плотно свернутый столбик из базальтового картона. Расположен он в верхней части трубчатого внешнего бака, на месте отстойника (Рис. 3). Показал себя подавитель неплохо – при обычной размеренной работе электролизера, фильтр не пропускает пену в отводящий гремучий газ шланг. Однако, появившееся местное сопротивление потоку газа, добавлю, для успешной работы фильтра - весьма значительное, сыграло злую шутку (Рис. 4).

При включении аппарата в замкнутом объеме под фильтром подавителем создается избыточное давление Р. Оно действует на газодинамическое сопротивление фильтра – путь вверх, и на столб электролита в баке - путь вниз, пытаясь вытолкнуть его через шланг уровня.

Результат такого неправильного включения шланга-уровня – электролит по нему часто выдавливает наверх, дополнительно пропитывая пористую насадку фильтра. При этом, быстрее образуется «вторичная пена», уже в самой, пропитанной электролитом, пористой насадке. К счастью, при изготовлении, ниже фильтра выточен и вварен небольшой резервный патрубок для подпитки электролизера расходующейся в работе водой. Несколько изменив включение уровня, удалось свести неприятность к минимуму и малой кровью. Повезло.

Что понадобилось для работы.

Набор некрупного слесарного инструмента, крепеж, мелочи.

К делу.

Схема нового включения внешних шлангов будет такой (Рис. 5).

Заглушить верхний угловой штуцер с минимальной возней и без вандализма, удалось надетым отрезком шланга и миниатюрным стеклянным пузырьком в роли пробки (Фото 7, 8).

Заглушил верхний угловой штуцер уровня, укоротил шланг уровня. Подключить укороченный конец шланга к штуцеру подпитки – лишиться в дальнейшем крайне полезной функции. Вышел из положения применив фабричный тройник из нержавеющей стали (Фото 9). Той самой – стойкой к крепкому раствору щелочи.

Свободный вход металлического тройника – для подпитки электролизера дистиллированной водой. Пока будет заглушен подручными средствами.

Новый укороченный шланг-уровень (Фото 10) – длиной, тем не менее, в полный рост бака для электролита. Доработка устранив недостатки прежней конфигурации сохранила возможность подключения аппарата для моментальной подпитки водой «на ходу», без сброса избыточного давления и потери газа.

Новые шланги выбрал диаметром, соответствующим тройнику, старый шланг уровня, снизу, несколько толще. Его пришлось уплотнить еще одним слоем – кусочком такого же силиконового шланга, но меньше диаметром.

Доработка все равно не позволяет точно увидеть уровень электролита при работе – как только внутри аппарата появляется избыточное давление, жидкость частично выталкивает и через шланг. Тем не менее, электролит по шлангу не переливается, разница давлений в «ветвях» стала много меньше и оценить расход воды можно и так. С отключенным и открытым состоянием, она разнится всего на несколько сантиметров.

Расход воды удобно засекать прицепив на прозрачный шланг обычную бельевую прищепку, подобно второй, управляемой снаружи, стрелке на барометре.

Литература.

1. Бондаренко Ю. Н. Изготовление газоразрядных источников света для лабораторных целей и

   многое другое. Глава 9. Электролизер для получения гремучего газа.

Babay Mazay, июнь, 2022 г.