基于旋转电磁效应的循环水系统抑垢缓蚀机制研究

论文摘要

从电机损耗与温升的反问题出发,利用电磁理论将输入的能量充分、有效地转换为热能,即将“损耗”转化为有效热能输出的动态电磁感应加热方法,构成高热效率的环保型旋转电磁热机,通过调节励磁绕组的电磁参数可以对旋转电磁场进行控制。利用可控电磁场对水媒质产生磁化效应,可以实现抑垢缓蚀。在充分分析电机运行过程损耗的基础上,介绍了旋转电磁效应的技术实施以及数学模型。通过有限元模拟,分析了转速和铁心长度等因素对致热效率以及磁场分布等的影响。利用旋转电磁热机进行了致热实验,结果表明,该新型热机致热效果明显,并且使水媒质产生了一系列物理化学性质变化。水质变化机理主要是旋转电磁效应导致水中氢键断裂。当水的温升速度较快时,水质变化主要是温度引起;而在升温缓慢或无温度变化时,则以交变电场和交变磁场的协同作用为主。热循环系统的工程应用表明,旋转电磁效应的抑垢效果良好,并且长时间运行后具有明显的降浊降硬作用。采用激光共聚焦显微镜、扫描电镜以及XRD等方法研究了水垢样的形貌及成分,分析了旋转电磁效应的抑垢机理,主要是旋转电磁效应一方面改变了水媒质的物理化学性质,另一方面影响了碳酸钙结晶过程,水垢样主要为霰石碳酸钙晶型,而蒸汽锅炉水垢样表面则主要为方解石碳酸钙晶型。采用失重法对热循环系统用45钢和紫铜进行热流动腐蚀实验,结果表明,随着腐蚀过程的持续进行,45钢的腐蚀速度先下降后上升,紫铜的腐蚀速度下降,随后趋于平缓。成分分析表明,45钢和紫铜试样主要为基体及其氧化物。开始阶段试样表面氧化膜的形成减缓了腐蚀,随着氧化膜的脱落与溶解,腐蚀继续进行。通过试样表面腐蚀二维和三维形貌可以看出,45钢流过腐蚀过程为剥层腐蚀,紫铜流动腐蚀过程为孔蚀。采用电化学腐蚀实验研究了45钢和紫铜在旋转电磁处理海水中的腐蚀电化学机理。极化曲线测试表明,旋转电磁效应对45钢和紫铜的缓蚀效率分别为16.66%和89.14%。通过扫描电镜照片可以看出,在旋转电磁处理海水中电化学腐蚀后试样表面比在3.5%NaCl溶液和人工海水中的试样要致密。成分分析表明,45钢试样表面腐蚀产物主要有Fe2O3、Fe3O4和FeCl2·6H2O,紫铜试样表面腐蚀产物主要有Cu2O和CuCl2。旋转电磁处理使溶液的溶解氧能力增强,使金属更容易地发生氧腐蚀,形成表面氧化膜,阻止了内部金属的继续腐蚀。基于电化学腐蚀实验结果,分析了腐蚀电极/电解质溶液界面液相传质过程。对电极/电解质溶液界面双电层电容量进行了理论计算以及实验分析。根据腐蚀过程表面状态变化,基于高斯滤波建立了电极表面双电层基准面模型。通过所建立的模型,计算出流动腐蚀过程中金属表面真实的双电层吸附面积变化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 热循环设备结垢与腐蚀分析
• 1.2.1 结垢分析
• 1.2.2 腐蚀分析
• 1.3 电磁场抑垢技术的研究现状
• 1.3.1 电磁场对体系的影响
• 1.3.2 电磁场水处理设备
• 1.3.3 电磁场抑垢机理
• 1.4 电磁场对金属腐蚀行为的影响
• 1.4.1 电磁场对腐蚀速率的影响
• 1.4.2 电磁场对腐蚀过程的影响
• 1.4.3 电磁场对腐蚀电位的影响
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 旋转电磁效应的仿真与实验研究
• 2.1 引言
• 2.2 电机损耗的正问题
• 2.2.1 铁损耗
• 2.2.2 铜损耗
• 2.3 旋转电磁效应的原理
• 2.4 旋转电磁效应的仿真分析
• 2.4.1 旋转磁场
• 2.4.2 短路电流
• 2.4.3 致热功率
• 2.5 旋转电磁效应的实验研究
• 2.5.1 实验方案
• 2.5.2 实验结果
• 2.5.3 水质变化机理分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 旋转电磁效应的抑垢实验与机理研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验条件
• 3.2.1 水质评价
• 3.2.2 运行问题
• 3.3 实验方案
• 3.3.1 实验流程
• 3.3.2 形貌观察
• 3.3.3 成分分析
• 3.4 实验结果与分析
• 3.4.1 水质变化
• 3.4.2 水垢样厚度比较
• 3.4.3 水垢样表面形貌
• 3.4.4 水垢样成分分析
• 3.5 旋转电磁效应的抑垢机理研究
• 3.5.1 电磁力场对碳酸钙结晶过程的影响
• 3.5.2 磁化作用对碳酸钙结晶过程的影响
• 3.5.3 温度作用对碳酸钙结晶过程的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 旋转电磁热循环系统材料的流动腐蚀实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 腐蚀试样
• 4.2.1 试样材料
• 4.2.2 试样处理
• 4.3 腐蚀介质
• 4.4 实验方法
• 4.4.1 失重法
• 4.4.2 实验流程
• 4.5 实验结果与分析
• 4.5.1 流动腐蚀速率
• 4.5.2 腐蚀形貌观察
• 4.5.3 腐蚀产物成分
• 4.5.4 腐蚀过程分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 旋转电磁效应对金属电化学腐蚀过程的影响
• 5.1 引言
• 5.2 腐蚀试样
• 5.3 实验介质
• 5.4 实验方法
• 5.5 实验结果与分析
• 5.5.1 极化曲线测试
• 5.5.2 表面形貌观察
• 5.5.3 腐蚀产物成分分析
• 5.6 电化学腐蚀机理分析
• 5.6.1 电化学腐蚀机理
• 5.6.2 45 钢的电化学腐蚀过程
• 5.6.3 紫铜的电化学腐蚀过程
• 5.7 本章小结
• 第6章 腐蚀过程中电极/溶液界面双电层变化规律研究
• 6.1 引言
• 6.2 电极/溶液界面的双电层
• 6.2.1 双电层理论
• 6.2.2 双电层电容量的计算
• 6.2.3 电极/溶液界面传质过程
• 6.2.4 电极特性吸附实验
• 6.3 电极表面腐蚀状态对双电层的影响
• 6.4 基于高斯滤波的双电层基准面模型
• 6.4.1 流体流动特征
• 6.4.2 高斯滤波理论
• 6.4.3 腐蚀过程中双电层基准面变化
• 6.4.4 腐蚀过程中双电层基准面的表面积变化
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历