氫氧焊割設(shè)備中水電解產(chǎn)氣過程研究

【摘要】： 水電解氫氧焊割設(shè)備是近幾十年發(fā)展起來的利用原料水和電作為能源,用于焊接、切割領(lǐng)域的一種新型環(huán)保設(shè)備。作為氫氧焊割設(shè)備核心部件的水電解槽內(nèi)部電極反應(yīng)決定著電解效率、氣體產(chǎn)量、電能消耗等方面,基于電極反應(yīng)動力學(xué)理論,對電解水電極析氫析氧過程進(jìn)行分析,建立析氫析氧電極動力學(xué)模型,分析了電極材料物化性能、電子結(jié)構(gòu)、表面形貌和幾何形狀對析氫析氧過程的影響,指出整個反應(yīng)的控制步驟由M-H鍵和M-OH鍵的鍵強(qiáng)度決定,增大電極表面粗糙度和采用多孔電極均會增大電極活性而降低電耗。基于計算流體力學(xué)理論和氣液兩相流理論,建立了電解槽內(nèi)部流體動力學(xué)方程,并利用FLUENT軟件進(jìn)行電解槽內(nèi)部流體模擬分析,結(jié)果表明:電解槽下部底部壓力最大,依次向上壓力逐漸減小,同一高度的壓力不同,即等壓面與幾何高度面不重合,呈由電極片面向電解槽內(nèi)部逐漸升高的趨勢;電解槽上部壓力場以出氣口為中心,向槽內(nèi)部呈弧狀分布,且離出氣口越遠(yuǎn),壓力等值面分布越稀疏,出氣口周圍壓力等值面分布密集,壓力變化范圍較大,出氣口上部壓力最小,依次向下壓力逐漸增大,通過對電解槽內(nèi)部氣體速度場的模擬分析,優(yōu)化了電解槽氣路設(shè)計為電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計和墊片設(shè)計提供理論指導(dǎo)。基于水電解原理,采用脈沖電壓和直流電壓進(jìn)行電解,得出在相同條件下脈沖電解效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于直流電解效果,當(dāng)電壓U為2.4 V脈沖電解產(chǎn)氣量是直流電解產(chǎn)氣量的6倍左右,通過對電極距離和電解液濃度的調(diào)整,得出電極距離和電解液濃度的最佳匹配關(guān)系,當(dāng)電極距離d為5 mm、電解液濃度為30%左右時電解效果最佳。通過脈沖參數(shù)(脈沖峰值電壓、脈沖占空比、脈沖頻率)的調(diào)節(jié)來改變產(chǎn)氣量,研究發(fā)現(xiàn),在其它參數(shù)不變的情況下,產(chǎn)氣量與脈沖占空比和脈沖峰值電壓成正比關(guān)系,而產(chǎn)氣量與脈沖頻率的關(guān)系比較復(fù)雜,產(chǎn)氣量隨脈沖頻率的變化出現(xiàn)峰值點(diǎn),產(chǎn)氣量峰值點(diǎn)隨著脈沖占空比逐漸增加而向脈沖頻率更高點(diǎn)處發(fā)生漂移,脈沖頻率由占空比為20%的1500 Hz漂移到占空比為37.5%的2000 Hz,當(dāng)占空比為50%時,產(chǎn)氣量峰值點(diǎn)處對應(yīng)的脈沖頻率到達(dá)2500 Hz。 【關(guān)鍵詞】：水電解 析氫析氧 流體壓力 脈沖參數(shù) 產(chǎn)氣規(guī)律
【學(xué)位授予單位】：中國石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號】：TG48
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 前言10-19
• 1.1 水電解氫氧焊割機(jī)研究現(xiàn)狀10-13
• 1.2 氫氧焰與其他燃?xì)饣鹧姹容^13-16
• 1.2.1 氫氣與等其他燃料氣在焊割領(lǐng)域的對比13-15
• 1.2.2 氫氧火焰與其他燃料氣火焰性能分析15-16
• 1.3 選題依據(jù)及主要研究工作16-19
• 1.3.1 選題依據(jù)16-17
• 1.3.2 主要研究工作17-19
• 第二章 水電解產(chǎn)氣試驗(yàn)過程研究19-36
• 2.1 水電解產(chǎn)氣試驗(yàn)設(shè)計19-21
• 2.1.1 試驗(yàn)裝置及原理19-21
• 2.1.2 試驗(yàn)方法21
• 2.2 直流電解水產(chǎn)氣規(guī)律研究21-23
• 2.2.1 電極距離對產(chǎn)氣量的影響22-23
• 2.2.2 電解液濃度對產(chǎn)氣量的影響23
• 2.3 脈沖電解水產(chǎn)氣規(guī)律研究23-30
• 2.3.1 電極距離對產(chǎn)氣量的影響24-25
• 2.3.2 電解液濃度對產(chǎn)氣量的影響25-26
• 2.3.3 脈沖峰值對產(chǎn)氣量的影響26-27
• 2.3.4 脈沖占空比對產(chǎn)氣量的影響27-28
• 2.3.5 脈沖頻率對產(chǎn)氣量的影響28-30
• 2.4 脈沖電解和直流電解產(chǎn)氣規(guī)律比較30-31
• 2.5 脈沖電解機(jī)理研究31-33
• 2.5.1 脈沖信號對界面液相傳質(zhì)的影響31-32
• 2.5.2 脈沖信號對電極極化作用的影響32-33
• 2.6 脈沖電解電場模擬33-36
• 第三章 氫氧制備系統(tǒng)電解槽的設(shè)計36-46
• 3.1 水電解槽種類概述36-39
• 3.2 電解槽密封性能研究39-43
• 3.2.1 流體密封機(jī)理及方法39-40
• 3.2.2 密封流體力學(xué)基本方程40-41
• 3.2.3 電解槽密封研究41-43
• 3.3 電解槽防腐性能研究43
• 3.4 電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 在水電解槽密封防腐性能上的應(yīng)用44
• 3.5 電解槽氣體分離設(shè)計44-46
• 第四章 水電解電極反應(yīng)動力學(xué)研究46-59
• 4.1 水電解電極反應(yīng)動力學(xué)模型的建立46-49
• 4.1.1 析氫反應(yīng)動力學(xué)模型46-48
• 4.1.2 析氧反應(yīng)動力學(xué)模型48-49
• 4.2 析氫反應(yīng)過程及影響因素分析49-53
• 4.2.1 堿性條件下析氫反應(yīng)過程49
• 4.2.2 電極材料固有性質(zhì)的影響49-50
• 4.2.3 電極材料電子結(jié)構(gòu)的影響50-51
• 4.2.4 電極形狀及其表面形貌的影響51-53
• 4.3 析氧反應(yīng)過程及影響因素分析53-55
• 4.3.1 堿性條件下析氧反應(yīng)過程53-54
• 4.3.2 電極表面氧化物物化性能的影響54
• 4.3.3 電極表面氧化物電子結(jié)構(gòu)的影響54
• 4.3.4 晶內(nèi)添加劑的影響54-55
• 4.3.5 電極幾何尺寸及表面形貌的影響55
• 4.4 電極反應(yīng)界面理論研究55-59
• 4.4.1 擴(kuò)散傳質(zhì)56-57
• 4.4.2 電遷移傳質(zhì)57
• 4.4.3 電極界面處傳質(zhì)57-59
• 第五章 氫氧制備系統(tǒng)內(nèi)部流體計算模型的建立59-66
• 5.1 計算流體力學(xué)基本理論59-60
• 5.2 電解槽內(nèi)部流體動力學(xué)研究60-66
• 5.2.1 控制方程的建立61-64
• 5.2.2 氣相控制方程的建立64
• 5.2.3 本章小節(jié)64-66
• 第六章 基于FLUENT 對電解槽內(nèi)部流體研究66-83
• 6.1 FLUNET 求解步驟66-67
• 6.2 電解槽幾何模型的建立67-71
• 6.3 電解槽內(nèi)部氣液兩相流體研究71-77
• 6.3.1 電解槽內(nèi)部氣液兩相FLUENT 模擬71-72
• 6.3.2 電解槽下部流體壓力模擬72-75
• 6.3.3 電解槽下部氣體運(yùn)動模擬75-77
• 6.4 電解槽槽內(nèi)上部流體研究77-83
• 6.4.1 氣體壓力流場模擬78-79
• 6.4.2 氣體速度模擬79-80
• 6.4.3 氣體粒子運(yùn)動軌跡模擬80-81
• 6.4.4 墊片處氣體流場分析81-83
• 第七章 結(jié)論83-85
• 一、主要結(jié)論83-84
• 二、進(jìn)一步研究工作建議84
• 三、研究工作創(chuàng)新點(diǎn)84-85
• 參考文獻(xiàn)85-89
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的學(xué)術(shù)成果89-90
• 致謝90

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