旋转式机电热换能器及其对水媒质磁化作用的研究

论文摘要

旋转式机电热换能器,是一种新型电磁加热装置。它将机、电、热系统和以水为媒质的热交换系统有机地组合在一起,利用磁滞、涡流和二次感应电流综合加热。其与电动机、风机、水轮机等动力机械装置配套使用,能实现电能、风能、水能等多种清洁能源的综合利用。除输出热能外,换能器中的旋转电磁场还会对水媒质产生磁化作用,将其软化,达到除垢和抑垢的效果。对换能器热功率和换热的计算方法和变化规律、旋转电磁效应对水媒质的磁化作用机理等进行研究,将深入揭示其工作机理,形成工程计算方法,为换能器的广泛应用奠定基础。本文从传统电机损耗与温升反问题角度出发,对旋转式机电热换能器进行了理论分析和实验研究,主要研究内容如下:首先,建立换能器的三维电磁场方程组,结合物理意义给出其边界条件,运用分离变量法得到方程的解析解。在方程解析解的基础上,推导出换能器端部系数的计算式,在此基础上改进了基于二维有限元法的热功率算法。优化了热功率的实验方法,以一台样机为例验证改进后热功率算法的准确性。这些研究将为换能器热功率的深入研究提供基础。其次,推导热功率与极对数、气隙长度、铁心长度、定子内径等结构参数的解析表达式,并分析这些结构参数对热功率的影响。提出定子热功率透入深度的概念,给出其具体计算公式,分析透入深度随转速的变化规律,并归纳出其在换能器热功率设计中的作用。而后利用改进的热功率算法和透入深度的概念,分析不同转速时,闭口槽、开口槽、半开口槽和铜套四种不同定子结构的换能器热功率密度的变化规律。计算不同定子结构时,热功率在定子侧和转子侧的分布情况。实际研制了两台不同定子结构的样机,对其热功率进行测试,并与原有样机进行比较,验证理论分析的正确性。再次,建立换能器二维换热模型,提出热功率-换热耦合算法,利用此算法分析换热过程。提出功率调整率的指标来评价换能器的换热性能,并分析了实际热功率和水流温升特性。针对原有换热结构的弊端,提出一种新的换热结构,实际分析了气隙长度、铁心长度、透入深度、转子侧热功率等因素对功率调整率的影响。研制了换热测试平台,进行了相关换热测试。理论分析和实验结果证明该换热结构与原有结构相比,换热性能大为提高。实验研究结果表明,换能器内部的旋转电磁场使水媒质的物理化学特性发生变化。为揭示其变化规律和机理,本文进行了相关理论和实验研究。用分子动力模拟的方法计算了磁场作用下水分子间氢键的变化情况。而后设计磁场发生装置,分别用恒定磁场和交变磁场处理不同浓度的NaCl溶液,测试其电导率的变化规律,并结合实验结果探讨磁场对电解质溶液电导率作用的机理。用一定浓度的CaCl2和Na2CO3溶液反应生成晶体,并用恒定磁场和交变磁场分别处理其中一种溶液,利用X射线衍射光谱和扫描电镜分析磁场作用前后CaCO3晶体的变化,并结合实验结果探讨了磁场对CaCO3晶体的影响机理。本文提出了换能器热功率和换热的计算方法,分析了其热功率和换热的变化规律,优化了原有的设计,研究了旋转电磁效应对水媒质的作用。为旋转式机电热换能器的深入研究和广泛应用提供了理论和实验基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 旋转式机电热换能器
• 1.2.1 锅炉的发展概况
• 1.2.2 换能器的工作原理
• 1.2.3 换能器的不同结构形式
• 1.2.4 换能器对水媒质磁化作用的实验研究
• 1.3 磁化水处理技术及研究现状
• 1.3.1 磁化技术在水处理中的应用
• 1.3.2 磁场对纯水物理化学性质的影响
• 1.3.3 磁场对电解质溶液物理化学性质的影响
• 1.3.4 磁场对碳酸钙结晶的影响
• 1.4 本课题研究内容
• 第2章 机电热换能器三维电磁场方程及热功率算法的解析
• 2.1 引言
• 2.2 换能器三维电磁场方程的解析
• 2.2.1 三维电磁场方程的建立
• 2.2.2 边界条件的确立
• 2.2.3 电磁场方程的求解
• 2.3 换能器端部系数的求解
• 2.4 换能器热功率算法和实验的改进
• 2.4.1 用端部系数修正后的热功率算法
• 2.4.2 不同温度下材料电磁参数的求取
• 2.4.3 热功率实验方法的改进
• 2.5 本章小结
• 第3章 机电热换能器结构参数与热功率关系的分析
• 3.1 引言
• 3.2 换能器结构参数与热功率的定量关系
• 3.2.1 定子热功率的解析表达式
• 3.2.2 结构参数与热功率的关系
• 3.2.3 换能器材料和运行状态对热功率的影响
• 3.3 换能器定子热功率透入深度的研究
• 3.3.1 透入深度的定义
• 3.3.2 透入深度在热功率设计中的应用
• 3.4 不同定子结构对换能器热功率密度的影响
• 3.4.1 闭口槽结构的热功率分析
• 3.4.2 开槽结构的热功率分析
• 3.4.3 铜套结构的热功率分析
• 3.4.4 实验研究
• 3.5 换能器热功率分布的研究
• 3.5.1 定子侧铜和铁中热功率的比例
• 3.5.2 定子铁心中热功率的分布
• 3.5.3 转子和永磁体中的热功率
• 3.6 本章小结
• 第4章 机电热换能器换热算法和性能的研究
• 4.1 引言
• 4.2 热功率-换热耦合算法的研究
• 4.2.1 二维换热模型的建立
• 4.2.2 温度分布规律
• 4.2.3 热功率的核算
• 4.2.4 热功率-换热耦合算法
• 4.3 换能器功率调整率
• 4.3.1 流速对温度分布的影响
• 4.3.2 功率调整率的定义
• 4.3.3 实际热功率和水流温升的变化规律
• 4.4 换能器相关参数对功率调整率的影响
• 4.4.1 铁心长度对功率调整率的影响
• 4.4.2 气隙长度对功率调整率的影响
• 4.4.3 透入深度对功率调整率的影响
• 4.4.4 转子和永磁体热功率对功率调整率的影响
• 4.5 换能器换热性能的实验研究
• 4.5.1 实验平台构成及测试原理
• 4.5.2 样机测试结果及分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 机电热换能器中旋转电磁效应对水媒质作用的研究
• 5.1 引言
• 5.2 磁场对纯水的分子动力学研究
• 5.2.1 分子动力学方法
• 5.2.2 水分子的势能函数
• 5.2.3 磁场对纯水作用的分子动力学模拟
• 5.3 磁场对氯化钠溶液电导率影响的实验研究
• 5.3.1 磁场发生装置
• 5.3.2 磁场对氯化钠溶液电导率影响的实验方法
• 5.3.3 磁场对氯化钠溶液电导率影响的实验结果
• 5.3.4 磁场对氯化钠溶液电导率影响的机理探讨
• 5.4 磁场对碳酸钙结晶影响的实验研究
• 5.4.1 磁场对碳酸钙结晶影响的实验方法
• 5.4.2 磁场对碳酸钙结晶影响的实验结果及分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历