氢氧焊割设备中水电解产气过程研究

【摘要】： 水电解氢氧焊割设备是近几十年发展起来的利用原料水和电作为能源,用于焊接、切割领域的一种新型环保设备。作为氢氧焊割设备核心部件的水电解槽内部电极反应决定着电解效率、气体产量、电能消耗等方面,基于电极反应动力学理论,对电解水电极析氢析氧过程进行分析,建立析氢析氧电极动力学模型,分析了电极材料物化性能、电子结构、表面形貌和几何形状对析氢析氧过程的影响,指出整个反应的控制步骤由M-H键和M-OH键的键强度决定,增大电极表面粗糙度和采用多孔电极均会增大电极活性而降低电耗。基于计算流体力学理论和气液两相流理论,建立了电解槽内部流体动力学方程,并利用FLUENT软件进行电解槽内部流体模拟分析,结果表明:电解槽下部底部压力最大,依次向上压力逐渐减小,同一高度的压力不同,即等压面与几何高度面不重合,呈由电极片面向电解槽内部逐渐升高的趋势;电解槽上部压力场以出气口为中心,向槽内部呈弧状分布,且离出气口越远,压力等值面分布越稀疏,出气口周围压力等值面分布密集,压力变化范围较大,出气口上部压力最小,依次向下压力逐渐增大,通过对电解槽内部气体速度场的模拟分析,优化了电解槽气路设计为电解槽结构设计和垫片设计提供理论指导。基于水电解原理,采用脉冲电压和直流电压进行电解,得出在相同条件下脉冲电解效果远远好于直流电解效果,当电压U为2.4 V脉冲电解产气量是直流电解产气量的6倍左右,通过对电极距离和电解液浓度的调整,得出电极距离和电解液浓度的最佳匹配关系,当电极距离d为5 mm、电解液浓度为30%左右时电解效果最佳。通过脉冲参数(脉冲峰值电压、脉冲占空比、脉冲频率)的调节来改变产气量,研究发现,在其它参数不变的情况下,产气量与脉冲占空比和脉冲峰值电压成正比关系,而产气量与脉冲频率的关系比较复杂,产气量随脉冲频率的变化出现峰值点,产气量峰值点随着脉冲占空比逐渐增加而向脉冲频率更高点处发生漂移,脉冲频率由占空比为20%的1500 Hz漂移到占空比为37.5%的2000 Hz,当占空比为50%时,产气量峰值点处对应的脉冲频率到达2500 Hz。 【关键词】：水电解 析氢析氧 流体压力 脉冲参数 产气规律
【学位授予单位】：中国石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TG48
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 前言10-19
• 1.1 水电解氢氧焊割机研究现状10-13
• 1.2 氢氧焰与其他燃气火焰比较13-16
• 1.2.1 氢气与等其他燃料气在焊割领域的对比13-15
• 1.2.2 氢氧火焰与其他燃料气火焰性能分析15-16
• 1.3 选题依据及主要研究工作16-19
• 1.3.1 选题依据16-17
• 1.3.2 主要研究工作17-19
• 第二章 水电解产气试验过程研究19-36
• 2.1 水电解产气试验设计19-21
• 2.1.1 试验装置及原理19-21
• 2.1.2 试验方法21
• 2.2 直流电解水产气规律研究21-23
• 2.2.1 电极距离对产气量的影响22-23
• 2.2.2 电解液浓度对产气量的影响23
• 2.3 脉冲电解水产气规律研究23-30
• 2.3.1 电极距离对产气量的影响24-25
• 2.3.2 电解液浓度对产气量的影响25-26
• 2.3.3 脉冲峰值对产气量的影响26-27
• 2.3.4 脉冲占空比对产气量的影响27-28
• 2.3.5 脉冲频率对产气量的影响28-30
• 2.4 脉冲电解和直流电解产气规律比较30-31
• 2.5 脉冲电解机理研究31-33
• 2.5.1 脉冲信号对界面液相传质的影响31-32
• 2.5.2 脉冲信号对电极极化作用的影响32-33
• 2.6 脉冲电解电场模拟33-36
• 第三章 氢氧制备系统电解槽的设计36-46
• 3.1 水电解槽种类概述36-39
• 3.2 电解槽密封性能研究39-43
• 3.2.1 流体密封机理及方法39-40
• 3.2.2 密封流体力学基本方程40-41
• 3.2.3 电解槽密封研究41-43
• 3.3 电解槽防腐性能研究43
• 3.4 电解槽密封防腐材料性能分析43-44
• 3.4.1 聚四氟乙烯（PTFE）的特性分析43-44
• 3.4.2 PTFE 在水电解槽密封防腐性能上的应用44
• 3.5 电解槽气体分离设计44-46
• 第四章 水电解电极反应动力学研究46-59
• 4.1 水电解电极反应动力学模型的建立46-49
• 4.1.1 析氢反应动力学模型46-48
• 4.1.2 析氧反应动力学模型48-49
• 4.2 析氢反应过程及影响因素分析49-53
• 4.2.1 碱性条件下析氢反应过程49
• 4.2.2 电极材料固有性质的影响49-50
• 4.2.3 电极材料电子结构的影响50-51
• 4.2.4 电极形状及其表面形貌的影响51-53
• 4.3 析氧反应过程及影响因素分析53-55
• 4.3.1 碱性条件下析氧反应过程53-54
• 4.3.2 电极表面氧化物物化性能的影响54
• 4.3.3 电极表面氧化物电子结构的影响54
• 4.3.4 晶内添加剂的影响54-55
• 4.3.5 电极几何尺寸及表面形貌的影响55
• 4.4 电极反应界面理论研究55-59
• 4.4.1 扩散传质56-57
• 4.4.2 电迁移传质57
• 4.4.3 电极界面处传质57-59
• 第五章 氢氧制备系统内部流体计算模型的建立59-66
• 5.1 计算流体力学基本理论59-60
• 5.2 电解槽内部流体动力学研究60-66
• 5.2.1 控制方程的建立61-64
• 5.2.2 气相控制方程的建立64
• 5.2.3 本章小节64-66
• 第六章 基于FLUENT 对电解槽内部流体研究66-83
• 6.1 FLUNET 求解步骤66-67
• 6.2 电解槽几何模型的建立67-71
• 6.3 电解槽内部气液两相流体研究71-77
• 6.3.1 电解槽内部气液两相FLUENT 模拟71-72
• 6.3.2 电解槽下部流体压力模拟72-75
• 6.3.3 电解槽下部气体运动模拟75-77
• 6.4 电解槽槽内上部流体研究77-83
• 6.4.1 气体压力流场模拟78-79
• 6.4.2 气体速度模拟79-80
• 6.4.3 气体粒子运动轨迹模拟80-81
• 6.4.4 垫片处气体流场分析81-83
• 第七章 结论83-85
• 一、主要结论83-84
• 二、进一步研究工作建议84
• 三、研究工作创新点84-85
• 参考文献85-89
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果89-90
• 致谢90

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