本发明专利技术提供了一种碱性电解槽气液两相流动的可视化系统及工作方法，可视化系统包括直流可调电源、多节电解槽、与多节电解槽依次闭环连接的气液分离器、碱液槽、碱液循环泵，以及观测系统；气液分离器与碱液循环泵分别与多节电解槽的顶端和底端连接；每单节电解槽单独连接一个直流可调电源；观测系统包括升降支架、LED可调灯源、XYZ三轴移动平台、高速相机与数据采集计算机。本发明专利技术使用透光性良好的有机玻璃设计制作所述可视化系统，对电解槽内部气泡产生和气液流动特征进行系统观测研究，可观测到多尺度气泡产生位点信息、气泡运动形态和碰撞聚并情况，及高电流密度下气含率饱和现象及其原因，有利于调控电解槽内气液两相流动、降低气含率。低气含率。低气含率。
【技术实现步骤摘要】
一种碱性电解槽气液两相流动可视化系统及其工作方法
[0001]本专利技术属于碱性电解水制氢的
，具体地讲，是涉及一种碱性电解槽气液两相流动可视化系统及其工作方法。
技术介绍
[0002]氢能作为国家战略性能源，具有燃烧性能高、清洁无污染等特点，在工业上有广阔的应用前景。碱性电解水制氢是一种成熟的技术手段，也是当前唯一能够实现大规模、长周期的绿色制氢方法。
[0003]高电解时电流密度会导致电解槽的阴、阳极表面产气速率很大，电极表面覆盖大量产物绝缘微细气泡，阴阳极板之间的狭窄通道内气含率也会随之增大，不仅降低了电极的有效工作面积，也导致了欧姆阻降增加，致使能耗升高。而实际电解过程中电极表面的气泡生成过程、电解槽内气含率的分布、以及气泡的运动规律尚不明晰，这些机理认识对于电解槽气液两相流管理至关重要，也是碱性水电解槽高电流密度稳定运行的关键问题，同时为其他相关水电解制氢和产物包含气体的电解工业提供一些借鉴。因此，开发一种可观测碱性电解槽气液两相流动的系统至关重要。
[0004]CN202023038499.5提出了一种全浸式无氧环境电解水制氢系统，该方案将相关制氢含氢设备全部置于水下，通过水和空气的隔离实现氢氧气体泄漏可视化监测、氢气智能引导扩散、制氢装置高效散热等多方面功能，可彻底杜绝常规空气方式下易燃易爆的风险，实现安全制氢。但是，该设备重点在于气体泄漏防范，并没有关注电解槽内的气液两相流动的状态，以及解决气含率较高的问题，并不能满足大型制氢设备的需求。因此为了碱性水电解槽高电流密度下能够稳定运行，非常有必要设计一种碱性电解槽气液两相流动可视化系统。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术中，提供了一种碱性电解槽气液两相流动可视化系统及其工作方法，通过使用透光性良好的有机玻璃设计制作气液两相流动可视化观测装置，对电解槽内部气泡产生和气液流动特征进行系统观测研究，为调控电解槽内气液两相流动、降低气含率提供理论依据。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种碱性电解槽气液两相流动的可视化系统，所述可视化系统包括直流可调电源、与所述直流可调电源通过电路连接的多节电解槽、与所述多节电解槽依次闭环连接的气液分离器、碱液槽、碱液循环泵，和位于多节电解槽外部的观测系统，其中：
[0008]所述气液分离器与碱液循环泵分别与所述多节电解槽的顶端和底端连接；
[0009]所述多节电解槽的每单节电解槽单独连接一个直流可调电源，各单节电解槽在液路上形成串联，在电路上形成并联；
[0010]所述观测系统包括位于多节电解槽一侧的升降支架和置于所述升降支架上的LED
可调灯源，以及另一侧的XYZ三轴移动平台和固定于所述XYZ三轴移动平台上的高速相机，所述LED可调灯源与高速相机的镜头在同一高度，用于提供合适的光源并确保光束垂直射入镜头；所述高速相机与数据采集计算机连接。
[0011]本专利技术进一步设置为，所述多节电解槽包括多个沿竖直方向依次排列的单节电解槽，所述多节电解槽由每个单节电解槽在竖直方向上堆叠组装而成；或是由多个单节电解槽一体成型，无需额外的单独组装；所述单节电解槽数量不少于3个，优选为3～6个；所述多节电解槽的深宽比大于30，优选为大于50，具有对中型尺寸碱性水电解槽高度方向气液流动的研究条件。
[0012]进一步的，所述单节电解槽有三种类型，包括分别位于所述多节电解槽2底部和顶部的底部电解槽、顶部电解槽，和位于所述底部电解槽和顶部电解槽之间的中部电解槽。所述多节电解槽2包括1个底部电解槽、1个顶部电解槽和若干个中部电解槽。
[0013]本专利技术进一步设置为，所述单节电解槽均包括一对阴极端板和阳极端板，所述阴极端板和阳极端板的中间设置有板间狭窄的流通通道，用于放置阴、阳极的镍网电极，该流通通道也是电解液流动和电解反应发生的区域，可用于观测电解时的气液两相流动。
[0014]本专利技术进一步设置为，所述阴极端板和阳极端板均采用无色透明的有机玻璃材料，透光性大于95％且具有较好的耐碱性，可用于清晰观测电解槽内部的气液两相流动情况。其中，为便于透光观测，所述单节电解槽内未设置氢氧分离隔膜，在流通通道内氢气和氧气是混合状态，与实际电解槽存在差异。
[0015]本专利技术进一步设置为，所述镍网电极设置为筛网片状，阴极和阳极的镍网电极分别通过不锈钢螺钉固定在阴极端板和阳极端板上，并且紧贴所述流通通道，阴阳极上的不锈钢螺钉错位相对布置，避免其接触短路。优选的，所述镍网电极的筛孔直径为0.7～0.9mm，镍网丝直径为0.2～0.4mm。
[0016]本专利技术进一步设置为，所述阴极端板和阳极端板上均设有接电螺栓孔，接电螺栓相对地拧入所述接电螺栓孔内确保与镍网电极接触，为每个单节电解槽内的镍网电极接通直流电，但不可将接电螺栓拧入过深，防止阴、阳极的镍网电极接触短路。
[0017]本专利技术进一步设置为，所述底部电解槽的阴极端板和阳极端板的下部均设有电解液进液孔，用于将电解液通过所述碱液循环泵从底部进入所述多节电解槽中，其中阴极与阳极端板上的电解液进液孔采用非镜像布置，用于避免进液不均匀。所述顶部电解槽的阴极端板和阳极端板的上部均设有电解液出液孔，用于使电解液产气混合物经过所述电解液出液孔进入所述气液分离器实现气液分离。
[0018]本专利技术进一步设置为，所述阴极端板和阳极端板的左右两侧通过紧固法兰紧固连接，所述底部电解槽的阴极端板和阳极端板的底端以及顶部电解槽的阴极端板和阳极端板的顶端也通过紧固法兰紧固连接，所述紧固法兰上均匀设有多个紧固螺栓孔，通过设置紧固螺栓将阴阳极端板紧固密封；如果所述多节电解槽是由多个单节电解槽堆叠组装而成，则相邻的单节电解槽上阴极端板和阳极端板的相邻一侧设有连接法兰，所述连接法兰上均匀设有多个连接螺栓孔，通过设置连接螺栓将相邻的单节电解槽连接并用硅胶垫片密封。
[0019]本专利技术进一步设置为，所述底部电解槽的阴极端板和阳极端板的下端均相对地设有固定法兰，所述固定法兰上均匀设有多个固定螺栓孔，通过设置固定螺栓将整个多节电解槽固定和支撑于支架上，并保持其在竖直方向的稳定性。
[0020]本专利技术进一步设置为，所述单节电解槽的阴极端板和阳极端板中任一端板的底部设有气含率测量孔，用于安装不锈钢阀门实现对不同单节电解槽之间的气含率测量。
[0021]本专利技术进一步设置为，所述气液分离器采用有机玻璃和特制聚结纤维制作而成，气液分离器上设置有3个孔口，分别是位于上部的气液混合入口、顶部的气体出口和下部的液体出口，所述气液分离器容积为200～400ml；所述碱液槽的结构优选为圆柱体容器，材质优选为304不锈钢，所述圆柱体的内直径为10～15cm，高度为22～27cm，容器壁厚为1～5mm，容器容积为2～4L；所述碱液循环泵的结构优选为齿轮泵；所述多节电解槽、气液分离器、碱液槽、碱液循环泵之间通过耐腐蚀硅胶管连接。
[0022]本专利技术还提供了一种碱性电解槽气液两相流动可视化系统的工作方法，所述工本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种碱性电解槽气液两相流动可视化系统，其特征在于，所述可视化系统包括直流可调电源、与所述直流可调电源通过电路连接的多节电解槽、与所述多节电解槽依次闭环连接的气液分离器、碱液槽、碱液循环泵，和位于多节电解槽外部的观测系统，其中：所述气液分离器与碱液循环泵分别与所述多节电解槽的顶端和底端连接；所述多节电解槽的每单节电解槽单独连接一个直流可调电源，各单节电解槽在液路上形成串联，在电路上形成并联；所述观测系统包括位于多节电解槽一侧的升降支架和置于所述升降支架上的LED可调灯源，以及另一侧的XYZ三轴移动平台和固定于所述XYZ三轴移动平台上的高速相机，所述LED可调灯源与高速相机的镜头在同一高度；所述高速相机与数据采集计算机连接。2.根据权利要求1所述的可视化系统，其特征在于，所述多节电解槽包括多个沿竖直方向依次排列的单节电解槽，所述单节电解槽数量不少于3个，优选为3～6个；所述多节电解槽的深宽比大于30，优选为大于50；所述多节电解槽包括1个底部电解槽、1个顶部电解槽和若干个中部电解槽。3.根据权利要求2所述的可视化系统，其特征在于，所述单节电解槽均包括一对阴极端板和阳极端板，所述阴极端板和阳极端板的中间设置有流通通道，用于放置阴、阳极的镍网电极，该流通通道也是电解液流动和电解反应发生的区域；所述阴极端板和阳极端板均采用无色透明的有机玻璃材料，透光性大于95％且具有耐碱性，可用于清晰观测电解槽内部的气液两相流动情况。4.根据权利要求3所述的可视化系统，其特征在于，所述镍网电极设置为筛网片状，阴、阳极的镍网电极分别通过螺钉固定在阴极端板和阳极端板上，所述螺钉错位相对布置，避免接触短路；所述镍网电极的筛孔直径为0.7～0.9mm，镍网丝直径为0.2～0.4mm；所述阴极端板和阳极端板上均设有接电螺栓孔，接电螺栓相对地拧入所述接电螺栓孔内确保与镍网电极接触，为每个单节电解槽内的镍网电极接通直流电。5.根据权利要求3所述的可视化系统，其特征在于，所述底部电解槽的阴极端板和阳极端板的下部均设有电解液进液孔，且阴极与阳极端板上的电解液进液孔采用非镜像布置；所述顶部电解槽的阴极端板和阳极端板的上部均设有电解液出液孔。6.根据权利要求3所述的可视化系统，其特征在于，所述阴极端板和阳极端板的左右两侧通过紧固法兰紧固连接，所述底部电解槽的阴极端板和阳极端板的底端以及顶部电解槽的阴极端板和阳极端板的顶端也通过紧固法兰紧固连接；当所述多节电解槽是由多个单节电解槽堆叠组装而成时，则相邻的单节电解槽上阴极端板和阳极端板的相邻一侧设有连接法兰连接，并用硅胶垫片密封；所述底部电解槽的阴极端板和阳极端板的下端均相对地设有固定法兰，通过法兰连接将整个多节电解槽固定和支撑于支架上，并保持...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘博，周钰婕，杨强，袁方，张浩，陈正军，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：
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