氢氧焊割设备中水电解产气过程研究

论文摘要

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。

论文目录

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