Ossidrogeno

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L'ossidrogeno è una miscela di gas di idrogeno e ossigeno tipicamente nella proporzione atomica di 2 a 1, la stessa dell'acqua.[1] A temperatura e pressione normali il campo d'infiammabilità dell'ossidrogeno si estende tra il 4% e il 94% di volume in idrogeno[2] con una fiamma alla temperatura di circa 2000 °C.[3]

L'ossidrogeno brucia (trasformandosi in vapore acqueo e rilasciando l'energia che sostiene la reazione) quando viene portato alla sua temperatura di autoignizione. Per una miscela stechiometrica alla normale pressione atmosferica, questa temperatura è di circa 580 °C (1065 °F).[2] L'energia minima necessaria per accendere una tale miscela con una scintilla è di circa 0.02 millijoule.[2]

La quantità di calore sviluppato, secondo Julius Thomsen, è di 34,116 calorie per ogni grammo di idrogeno bruciato. Questa perturbazione del calore è abbastanza indipendente dal modo in cui viene condotto il processo; ma la temperatura della fiamma dipende dalle circostanze sotto le quali avviene il processo. Questa raggiunge ovviamente il suo massimo nel caso dell'accensione di gas "ossidrogeno" puro (una miscela di idrogeno con esattamente la metà del proprio volume di ossigeno che si può combinare con esso per diventare acqua). Diviene minore quando l'ossidrogeno ha una miscela con eccesso dell'uno o dell'altro elemento o vi sia una certa quantità di gas inerte come l'azoto, perché in ognuno di questi casi il calore si disperderebbe in una quantità maggiore di materia.[1]

Sono state inventate molte forme di lampade all'ossidrogeno, come le lampade di calce, che utilizzavano una fiamma all'ossidrogeno per scaldare un pezzo di calce ad alta temperatura per renderla luminosa.[3] La natura esplosiva della miscela di gas le resero tutte più o meno pericolose; furono quindi sostituite da illuminazione elettrica.

L'ossidrogeno è stato in passato molto usato nelle lavorazioni del platino, poiché la temperatura di fusione di questo elemento (1768,3 °C) si poteva raggiungere solo con una fiamma all'ossidrogeno, o, sistema oggi prevalentemente usato, in un forno elettrico ad arco.

Indice

Saldatura all'ossidrogeno [modifica]

La "saldatura all'ossidrogeno" è un metodo di saldatura che brucia idrogeno (il carburante) con l'ossigeno (il comburente). Viene usata per tagliare e saldare metallo, vetro e termoplastica.[3] La fiamma all'ossidrogeno viene usata nell'industria del vetro per la lucidatura al fuoco, un metodo di lucidatura del vetro che consiste nel fondere la parte più superficiale del vetro per rimuovere graffi e imperfezioni.

Fiamma ossidrica ad acqua [modifica]

Un apparato a bolle usato per mitigare gli effetti del potenziale ritorno di fiamma.[4]

Una "fiamma ossidrica ad acqua" è una fiamma all'ossidrogeno che viene alimentata con ossigeno e idrogeno ottenuti sul momento da elettrolisi dell'acqua, evitando la necessità di bombole contenenti ossigeno e idrogeno. Le fiamme ossidriche ad acqua devono essere progettate per mitigare il ritorno di fiamma rendendo la camera elettrolitica sufficientemente resistente. L'uso di un apparato a bolle in acqua intermedio rende gli effetti del ritorno di fiamma irrisori, mentre uno strumento simile a secco non sarebbe efficace a causa della velocità della fiamma. L'apparato a bolle viene collegato direttamente in serie all'uscita del gas e cattura efficacemente qualsiasi elettrolita in esso. Elettroliti adatti includono l'idrossido di sodio, l'idrossido di potassio e altri sali che si ionizzano facilmente.[5] Inoltre "il sistema elettrolizzatore deve avere una pressione sufficientemente alta per mantenere la velocità del gas all'ugello superiore alla velocità di combustione della fiamma, o ci sarà un ritorno della stessa".[5]

Modello di Brown [modifica]

Il modello con celle in serie di Yull Brown.[4] Notare la fonte energetica collegata soltanto alle due piastre esterne. Notare anche il singolo condotto di uscita del gas, caratteristica significativa e predominante dell'elettrolizzatore di Brown.

Alcuni modelli di fiamma ossidrica ad acqua mescolano i due gas immediatamente dopo la loro produzione (invece che nell'ugello della torcia) rendendo la miscela più accurata.[4] Questo modello di elettrolizzatore viene chiamato a canale comune[5] e il primo venne inventato da William A. Rhodes nel 1966.[6] Il gas Ossidrogeno prodotto in un elettrolizzatore a condotto comune viene solitamente chiamata gas di Brown, dal nome di Yull Brown che ricevette un brevetto per un elettrolizzatore a condotto comune con celle in serie nel 1977 e 1978 (il termine "gas di Brown" non viene utilizzato nei suoi brevetti, ma viene detto "miscela di idrogeno e ossigeno").[4][7]

Le torce di Brown utilizzavano anche un arco elettrico per incrementare la temperatura della fiamma (metodo chiamato "saldatura atomica")[4]:

Un arco elettrico viene fatto passare attraverso la miscela del gas prima che bruci, in modo tale che le molecole del gas stesso si spezzino in ossigeno e idrogeno atomici, utilizzando l'energia elettrica per produrre una fiamma più calda nel momento in cui gli atomi si ricombinano. [4]

Costruzione [modifica]

L'elettrolizzatore di Brown era costituito in questa maniera:

le celle sono poste adiacenti una accanto all'altra in una camera elettrolitica comune e sono come una singola unità nella quale vi sono un numero di elettrodi in serie. La camera è provvista di uno spazio per la raccolta del gas e di un'uscita per collegarvi, ad esempio, strumenti che lo bruciano. Inoltre devono essere collegati ad una fonte energetica esterna soltanto gli elettrodi terminali, facendo sì che il sistema sia realizzabile in modo estremamente efficiente e compatto. In più, con una tale sistemazione, si può eliminare la necessità di un trasformatore per molte delle applicazioni, in modo da poter collegare l'apparato direttamente ad una presa elettrica, se desiderato attraverso un ponte di diodi. Eliminando la necessità di un trasformatore si può rendere il sistema di generazione del gas sorprendentemente compatto, ben adatto sia per usi domestici che industriali.[4]

Applicazioni [modifica]

  • Uso della fiamma. Yull Brown affermò: "è un metodo di saldatura all'ossidrogeno, di saldobrasatura o simile"[7].
  • Arricchimento del carburante. L'idrogeno migliora il modo in cui bruciano i carburanti e la pendenza delle capacità di combustione nei motori endotermici.[8][9][10] I sistemi di miglioramento del carburante sono progettati per "alimentare il motore direttamente con idrogeno e ossigeno senza immagazzinamento intermedio".[11] Per applicazioni sul Diesel; "quando l'aria arricchita di idrogeno viene compressa, viene immesso il gasolio con un risultante miglioramento nell'efficienza del carburante e una sua combustione massimizzata".[12] Il miglioramento del carburante ha il potenziale di ridurre sostanzialmente le emissioni inquinanti dei motori a combustione interna; una ricerca del 2004 concluse che "le emissioni di idrocarburi e anche quelle di NOx si possono ridurre quasi a zero".[13] Una riduzione del 50% del consumo di benzina, nel minimo dei giri, è stata riportata analizzando numericamente "l'effetto della benzina arricchita di idrogeno sulle performance, sulle emissioni e sul consumo di carburante di un piccolo motore a ciclo Otto".[14] Quando il gas di Brown brucia produce acqua, ottenendo un raffreddamento delle camere di combustione dei motori, provvedendo efficacemente a maggiori rapporti di compressione. "L'aggiunta di idrogeno può garantire un andamento regolare" del motore "con molti vantaggi in termine di livello di emissioni e riduzione dei consumi".[13] Il miglioramento del carburante con l'idrogeno può essere ottimizzato implementando i concetti della "combustione magra" (che usa una miscela con molta più aria del consueto) o modificando appropriatamente il rapporto tra aria e carburante per ottenere un effettivo aumento nel chilometraggio.[9][8][13][15] "Complessivamente, gli aumenti nell'efficienza dei motori sono di più dei consumi energetici richiesti per la generazione dell'idrogeno, ottenendo un miglioramento nell'efficienza economica del sistema completo".[9] Questo è supportato da analisi computazionali che "hanno confermato la possibilità di poter operare con una grande sovrabbondanza di aria (miscele magre o ultra-magre) senza calo di prestazioni, ma con molti vantaggi sulle emissioni di inquinanti e sul consumo di carburante".[14]
  • Riscaldamento. Sang Nam Kim ha brevettato "un apparato per la generazione energetica che utilizza la combustione ciclica del gas di Brown nel quale un'unità di generazione del calore si scalda a una temperatura di 1000 °C".[16]

Affermazioni [modifica]

L'idrogeno e l'ossigeno fatti passare attraverso un cannello provvisto di arco elettrico. Questo è un metodo affermato da Yull Brown per incrementare il contenuto energetico del cannello risultante.[4] Considerando la conservazione dell'energia questa è un'affermazione ragionevole: l'energia nell'arco elettrico si deve conservare.
  • Il gas di Brown è "una miscela di idrogeno e ossigeno generati all'interno di una cella elettrolitica da dissociazione elettrolitica dell'acqua in proporzioni sostanzialmente stechiometriche".[4] Poiché il gas di Brown viene prodotto tramite elettrolisi, la sua generazione si conforma alle leggi di Faraday sull'elettrolisi
  • Un elettrolizzatore di gas Brown è progettato con "un'uscita" che emette idrogeno e ossigeno "in proporzioni sostanzialmente stechiometriche".[4] Un'uscita singola per il gas viene comunemente chiamata condotto comune e una proporzione stechiometrica di idrogeno e ossigeno viene solitamente chiamata ossidrogeno.
  • Yull Brown ha affermato che il Gas di Brown elimina "molti degli svantaggi associati con la saldatura a gas tradizionale", "in particolare per utenti che lavorano lontano da depositi di rifornimenti e dai quali ci sarebbero grossi ritardi tra l'invio di un ordine per la consegna del gas" e la sua "effettiva consegna".[4] Questo riguarda specificamente le bombole di gas, di solito ossigeno e acetilene.[4]
  • "La saldatura con idrogeno e ossigeno ha il vantaggio di non inquinare l'atmosfera come la saldatura ossiacetilenica".[4]
  • Temperatura della fiamma variabile: questo effetto è spiegato dalla spettroscopia infrarossa poco accurata[17] e dalla misura della temperatura del materiale scaldato anziché quella della fiamma stessa.

Modello di Klein [modifica]

Il "gas HHO" o "gas di Klein" è una miscela di ossidrogeno ottenuta dall'elettrolisi dell'acqua, che ha come marchio commerciale "Aquygen" dall'azienda "Hydrogen Technology Applications".

Brevetti [modifica]

Il brevetto di Dennis Klein afferma che il suo elettrolizzatore differisce rispetto a quello di Yull Brown nella mancanza della caratteristica dell'arco elettrico.[18]

Il marchio HHO è associato con uno stato non provato della materia chiamato magnegas[19] e una teoria non provata sulle magnecole, che dovrebbe dimostrare che l'HHO è un "nuova forma gassosa e combustibile dell'acqua".[20]

Applicazioni motoristiche [modifica]

Questo tipologia di miscela è stata studiata per un utilizzo civile nell'autotrasporto, dove tramite una cella HHO si scinderebbe l'acqua distillata in idrogeno e ossigeno, i quali vengono poi iniettati nel motore assieme al carburante standard del relativo motore, permettendo di ridurre il consumo energetico.

I vantaggi prospettati, tuttavia, non sono mai stati provati scientificamente.

Note [modifica]

  1. ^ a b 1911 Encyclopedia. "Oxyhydrogen Flame". (Disponibile qui, visitato il 2008-01-19.)
  2. ^ a b c Ken O'Connor, Hydrogen in NASA Glenn Research Center Glenn Safety Manual.
  3. ^ a b c William Augustus Tilden, Chemical Discovery and Invention in the Twentieth Century, Adamant Media Corporation, pp. 80. ISBN 0-543-91646-4
  4. ^ a b c d e f g h i j k l m U.S. Patent 4014777
  5. ^ a b c George Wiseman, Brown's Gas Book 2, Eagle Research, pp. 59. ISBN 1-895882-19-2
  6. ^ U.S. Patent 3262872
  7. ^ a b U.S. Patent 4081656
  8. ^ a b Per Tunestal, Magnus Christensen, Patrik Einewall, Tobias Andersson, and Bengt Johansson (January, 2002). Hydrogen Addition For Improved Lean Burn Capability of Slow and Fast Natural Gas Combustion Chambers. SAE Technical Paper Series (2002-01-2686): p. 7-8.
  9. ^ a b c John Houseman and D.J. Cerini at the Jet Propulsion Lab., California Institute of Technology "On-Board Hydrogen Generator for a Partial Hydrogen Injection Internal Combustion Engine". Abstracts of papers of the American Chemical Society (1974) West Coat Meeting, Anaheim, Calif. August 12-16 (meeting abstract paper# 740600)
  10. ^ Hoehn FW, Baisley RL, Dowdy MW, "Advances In Ultralean Combustion Technology Using Hydrogren-Enriched Gasoline", IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems 11 (5): 958-958 1975. (meeting abstract)
  11. ^ U.S. Patent 4107008
  12. ^ U.S. Patent 4573435
  13. ^ a b c Yougen Kong, Sam Crane, Palak Patel and Bill Taylor (January, 2004). NOx Trap Regeneration with an On-Board Hydrogen Generation Device. SAE Technical Paper Series (2004-01-0582): p. 6-7.
  14. ^ a b G. Fontana, E. Galloni, E. Jannelli and M. Minutillo (January, 2002). Performance and Fuel Consumption Estimation of a Hydrogen Enriched Gasoline Engine at Part-Load Operation. SAE Technical Paper Series (2002-01-2196): p. 4-5.
  15. ^ Thorsten Allgeier, Martin Klenk and Tilo Landenfeld (January, 2004). Advanced Emissions and Fuel Economy Control Using Combined Injection of Gasoline and Hydrogen in SI-Engines. SAE Technical Paper Series (2004-01-1270): p. 11-12.
  16. ^ U.S. Patent 6443725
  17. ^ Don Lancaster, Investigating Brown's gas, a tiny TV generator, and more, Electronics Now, 1998-02, pp. 22.
  18. ^ U.S. Patent 6,689,259
  19. ^ Santilli, Ruggero Maria (August 2006). "A new gaseous and combustible form of water". International Journal of Hydrogen Energy 31 (9): pp. 1113–1128. doi:10.1016/j.ijhydene.2005.11.006. Retrieved on 2007-02-20
  20. ^ R. M. Santilli, A. K. Aringazin (20 dicembre 2001). Structure and Combustion of Magnegases. Hadronic Journal (27): p. 299-330.
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